面向壁面剪应力测量的底层隔板微敏感结构设计与制造

 采用MEMS技术加工的底层隔板能够为壁面剪应力的测量提供新的手段。利用有限元法(FEM)建模仿真、正交实验设计以及各因素的极差分析,考查了微敏感结构宽度、厚度和凸出壁面高度对底层隔板固有频率和压阻灵敏度的影响规律,完成了底层隔板的结构优化设计。仿真结果显示:微敏感结构厚度对隔板固有频率和灵敏度影响最大,提升敏感结构高度能够有效提高压阻灵敏度,固有频率和压阻灵敏度受微敏感结构宽度变化影响很小。基于绝缘体上硅技术,利用电感耦合等离子体刻蚀工艺形成底层隔板结构,反应离子刻蚀工艺完成对敏感结构的释放,所加工底层隔板的整体尺寸为5.9 mm×10.1 mm×0.39 mm。底层隔板的动态特性测试表明样件固有频率为1 453.1 Hz,与有限元仿真结果的最大偏差为4.4%。     

底层隔板法流体壁面剪切力的测量研究

针对流体壁面剪切力测量难度较大的问题,研制了一种流体壁面剪切力测量元件的底层隔板法,并采用理论推导、数值计算和实验相结合的方法对其性能进行研究。通过公式推导,分析了元件用于流体壁面剪切力测量的原理,找出壁面剪切力和隔板前后压力差的函数关系。实验结果表明：元件隔板前后差压与测得的流体剪切力的幂次方成正比。数值计算结果表明：测量元件的敏感尺寸是迎风薄片高度,高度越大,校准曲线斜率越小,幂次系数越小,而正比例系数越大。对底层隔板法壁面剪切力系数特性的研究,为探索其免标定应用方法奠定了基础。     

湍流附面层壁面摩擦应力的测量方法

 本文讨论了不可压和可压湍流附面层壁面摩擦应力的测量方法,对Presto管、Stanton管、底层隔板、表面热膜和计算Preston管法进行了校准和测量比较。     

塞式喷管推力模型的建立与实验验证

 为了能够方便快捷地对塞式喷管发动机的性能做出准确的预示,通过理论分析,结合塞式喷管的流场特征,提出了一种塞式喷管壁面压强分布的数学模型。在此基础上,分别建立了全长型和截短型的塞式喷管的推力模型。通过与实验的对比分析,模型与实验数据基本吻合,验证了塞式壁面压力分布的数学模型以及在此基础上建立的推力模型,可以作为塞式喷管发动机性能预示的有效工具。     

扩散界面浸入边界法结合壁面模型在湍流模拟中的应用

提出了一种模拟高雷诺数湍流的扩散界面浸入边界法（IBM）。该方法采用壁面模型来减少壁面附近的网格量。为了实施壁面模型和边界条件，在物面外部设置了2个辅助层（一系列拉格朗日点）：外侧的参考层用于实施壁面模型来得到壁面剪应力，内侧的强制层用于实施离壁的边界条件。在实施壁面模型时，将动量方程沿物面法向积分，从而把物面切向的速度修正量与由壁面模型得到的壁面剪应力联系起来，而速度的法向分量则按二次曲线分布来近似重构。在实施边界条件时，为了严格满足无穿透条件，应用了基于隐式速度修正的IBM。最后，利用绕平板湍流和绕NACA0012翼型湍流来对方法的可行性进行了验证。     

三维超声速流动的压力反问题

为了进一步探索三维超声速流道的设计方法,采用一种预设壁面压力分布计算壁面型线的思想,并结合双特征线方法提出一种全三维超声速流动压力反问题的求解方法。在三维超声速流场设计中,可直接根据来流条件和壁面压力分布求解壁面的三维坐标,通过空间步进的方式,使得解在一系列解平面上推进,从而使得所设计的型面与预设的壁面压力分布相容。通过Prandtl-Meyer膨胀波的理论解验证了该格式的设计精度。根据预设的压力分布,设计了圆形和椭圆形入口的三维超声速喷管,并将设计方法与数值模拟进行对比验证。验证结果表明:所设计的流场与CFD计算得到的等值线符合得较好,因此基于双特征线的压力反问题求解方法具备三维超声速气动设计的能力,并具有纯三维、高精度、壁面压力分布可控的优势,对未来高超声速气动设计应用将起到重要的支撑作用。     

一种叶轮机三维叶型黏性反问题方法

提出了一种应用于叶轮机三维叶片气动设计的黏性反问题方法,该方法将叶片表面边界视为是运动的壁面,通过建立并求解壁面法向动量方程,从而可根据给定的压力分布或压力面与吸力面之间的压力差分布直接求解叶型几何.结果表明:该方法可与定常雷诺平均Navier-Stokes(RANS)模拟配合进行求解,鲁棒性强、计算耗时短,且符合真实黏性流动环境,无需对叶型进行黏性修正.算例验证结果显示,该方法在单排和多排叶片环境下都能获得反问题解,计算稳定性和收敛性良好.      

柔性热膜剪应力传感器水下测量温度修正

柔性热膜微传感器应用于流体壁面剪应力测量时,流体温度对传感器输出有很大影响,因此有必要对工作在非标定温度下的传感器输出信号进行修正补偿。重点研究了水下测量时传感器输出与水温的关系以及温度修正方法。通过分析传感器过热比和流体物理性质与温度的相关性,建立了流体温度与传感器过热比和标定系数的函数关系。在此基础上,提出了一种用于水下剪应力测量的温度修正方法,可以有效减小水温对传感器输出的影响。经实验验证,该方法可以使工作在25℃、28℃水温环境下的传感器输出值与其20℃标定值的相对误差从23．7％和37．1％回落到0．82％和0．83％。     

带侧向膨胀的三维非对称喷管设计和性能分析

针对带侧向膨胀的三维矩形截面非对称喷管,提出了一种基于准二维特征线法的喷管设计方法,获得了基于准二维特征线法的非对称喷管设计程序.然后,根据给定的几种侧向膨胀规律,通过该设计方法获得了相应的非对称喷管构型,并将该构型与通过优化算法获得的最优构型进行了比较,结果表明:两种方法所设计的非对称喷管的上、下壁面型面基本重合,喷管壁面压力分布趋势基本一致,验证了准二维特征线法的可靠性.与最优构型的性能相比,该方法所设计的喷管构型,推力偏差低于0.60%,升力偏差低于8.07%,且该设计法将设计耗时由30.5h减少到2h,可方便地应用到带侧向膨胀喷管的初期设计中.      

涡扇发动机全加力状态收油门过程中分流环参数变化的飞行试验

通过在飞行条件下对某型涡扇发动机端部厚度分别为1.0mm和1.5mm的分流环静压和变形量进行实时数据采集,得到了不同飞行高度、速度条件下,分流环内外壁面静压值以及分流环的变形量.结果表明:飞机在发动机全加力状态飞行时急收油门过程中,分流环内外壁面静压差值会产生急增,差值增量随飞行速度的增加而增加,分流环厚度越小,增量越大;分流环内外壁面压差是导致分流环变形的主要原因,并给出了该型分流环变形量随压差的变化关系.      

SST湍流模型在高超声速绕流中的改进

为模拟高超声速湍流问题,对剪切应力输运(SST)湍流模型系数进行了修正。数值格式采用改进的总变差递减(TVD)格式,并对湍流模型的负值强制项进行了隐式处理。在此基础上计算了绕平板以及具有分离、再附、激波/边界层干扰等复杂流动结构的压缩拐角的高超声速流动。计算结果与试验数据及半经验公式的对比表明:SST湍流模型引入的雷诺剪切应力与湍动能之比为常数(Bradshaw数)在高超声速绕流中并不成立。Bradshaw数修正后的SST湍流模型与原模型相比,所计算的壁面压力、摩擦阻力和壁面热流分布更接近试验结果。     

沟槽面湍流减阻数值评估方法

为解决雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方法模拟沟槽面减阻的实际应用问题,受Wilcox对粗糙度模化方法的启发,通过深入分析k-ω剪切应力输运(SST)湍流模型近壁区ω值的作用效果,发现在黏性底层内增加壁面ω值可使对应近壁区的湍动能、湍流黏度、雷诺应力均减小,这种对近壁区流动特性的作用效果与真实沟槽面一致。以经典的对称V型沟槽面(高度=间距)减阻实验数据为基础,通过引入减阻效果影响因子——压力梯度与偏航角,建立复杂流动条件下沟槽面几何尺寸到壁面ω值的模化函数方程,将数值模拟结果与实验结果对比,验证了模化沟槽面可以达到与真实沟槽面相同的减阻效果,并依此给出沟槽面减阻在工程实践中的应用方法,以C919翼身组合体巡航构型为例,完成其沟槽面减阻的总体设计与评估。     

基于雷诺平均Navier-Stokes方程的表面传热系数计算

采用有限体积法数值求解控制二维绕流的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程组,计算了光滑和粗糙NACA0012翼型以及圆柱表面的局部表面传热系数.分析了近壁面网格间距、湍流模式和表面粗糙度模型对数值计算结果的影响.结果表明:切应力输运(SST)湍流模型能够区分层流和湍流边界层的对流传热特性,并能预测转捩的发生;采用Spalart-Allmaras(S-A) 扩展模型能够计算粗糙壁面的对流传热系数,但采用忽略转捩函数的S-A模型不能有效计算层流边界层的传热系数.当近壁面网格间距接近10-5量级的黏性子层时,在光滑和粗糙壁面都能得到准确的传热系数分布.结合合适的近壁面网格间距,湍流模式和表面粗糙度模型可以得到与实验数据十分接近的表面传热系数曲线.通过与求解不可压缩RANS方程得到的结果比较后发现,不可压缩RANS方程主要忽略了压缩和黏性耗散效应,这种效应可以通过绝热升温项的形式并入总体热分析.      

超声速湍流边界层中横向声速喷流的混合LES/RANS模拟

通过对超声速湍流边界层中横向声速喷流的计算,对一种混合大涡/雷诺平均Navier-Stokes(LES/RANS)模拟方法进行了测试,该方法采用一个依赖于到壁面的距离及当地湍流参数的混合函数结合两方程k-ω SST(shear stress transport)湍流模型和混合尺度亚格子模型来封闭湍流项.计算结果表明:混合模拟方法能够捕捉到喷流/湍流边界层相互干扰的非定常大尺度结构,且对分离区长度、壁面静压峰值和膨胀区静压分布的计算精度要高于RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方法.      

涡轮叶片精铸模具陶芯定位元件逆向调整算法

针对空心涡轮叶片蜡型压制过程中陶芯定位元件补偿量难以量化问题,提出了基于蜡型壁厚测量结果的逆向解析算法.通过建立陶芯定位误差传递模型和逆向调整模型,确定了陶芯壁厚偏差与定位元件补偿量之间的映射关系.运用超声脉冲反射法对一组蜡型进行壁厚测量,根据测量结果逆向调整陶芯定位元件尺寸并重新压制蜡型进行对比分析.结果表明,该方法...     

壁温比对圆截面隔离段激波串的影响研究

为明晰壁温比对圆截面隔离段激波串的影响,采用RANS方法对圆截面隔离段进行三维数值计算,发现冷壁条件下,壁温比升高将导致隔离段抗反压能力减弱。在此基础上,通过理论分析研究了壁温比对边界层的影响,发现边界层主要通过剪切应力和亚声速流层携带的流体惯性的综合作用来抵抗反压,其中剪切应力与压升作用一致,而亚声速流层携带的流体惯性与压升作用相反。考虑壁温比影响,对经典Waltrup激波串预测公式进行修正,修正后公式可以动态反映壁温比变化导致的激波串长度改变,有助于隔离段优化设计。     

刷式密封泄漏和传热特性影响因素的数值研究

刷式密封作为接触式密封,刷丝与转子之间的摩擦热直接影响到密封封严性能和使用寿命,为向高性能刷式密封的设计提供参考,采用数值求解基于Non-Darcian多孔介质模型的ReynoldsAveraged Navier-Stokes(RANS)和局部非热平衡能量方程并结合有限元方法,建立了考虑刷丝束与转子摩擦热效应的刷式密封泄漏和传热特性分析的数学模型。研究了运行工况转速与压比和后夹板围栏高度对刷式密封泄漏和传热特性的影响规律。结果表明:不考虑刷丝束与转子的摩擦热效应时,刷式密封的泄漏量随转速升高略微降低;考虑摩擦热时,泄漏量因转速升高而显著降低,转速为8kr/min时泄漏量降低到0转速时的69%。刷丝最高温度随转速、压比和围栏高度增大而升高,刷丝束内部温度沿径向降低速率随压比和围栏高度增大而加快。高转速工况下转子产生离心伸长使其与刷丝之间的干涉量增大而影响摩擦热效应。