车载燃气轮机进气砂尘分离器设计与验证

对车载燃气轮机进气砂尘分离器的设计方法进行了研究,根据设计要求,提出了一套涡旋管粒子分离器的设计方案和设计流程,并据此设计了隔栅式涡旋管和空气滤清器总成.对涡旋管的三维气固两相流动进行数值模拟.以空气滤清器总成为试验对象,进行了气动试验和砂尘分离试验.数值模拟和试验结果表明:进气砂尘分离器的设计方法能够达到预期的设计效果,设计的分离器满足设计要求,所采用的数值模拟方法可以较准确地模拟涡旋管的三维气固两相流动,计算结果可信.      

粒子分离器砂尘分离效率试验参数影响分析

砂尘试验是评估和验证粒子分离器砂尘分离能力的核心方法,砂尘分离效率试验结果除受试验器测试精度影响,还与 砂尘投放方式直接相关。为了摸清某粒子分离器砂尘分离效率的试验影响因素,结合流动机理分析、CFD仿真和试验方法,分别 针对粒子分离器进口粒子分布均匀性、砂尘浓度和喷砂速度3种因素对砂尘分离效率的影响进行了分析。结果表明：粒子分离器 进口砂尘分布均匀性是影响砂尘试验结果的主要因素,在给定浓度分布模型下,进口砂尘非均匀分布比非均匀分布砂尘分离效率 降低接近7%;进口砂尘浓度在2000 mg/m3范围内变化不会对分离效率试验结果产生显著影响;喷砂速度增大,大粒径粒子受壁面 反弹影响,使粒子分离器总分离效率呈下降低趋势。     

旋翼诱发砂尘环境及其对直升机的危害

 用直升机模型进行试验研究,制造了“直升机”在地面附近不同高度悬停及不同桨盘载荷下诱发砂尘环境,考察了旋翼诱发砂尘对直升机的实际危害,测定了某些指定部位的砂尘浓度与作用力及砂尘粒度分布情况。理论分析,计算了机身周围旋翼诱导流场,并经实验检验了直升机旋翼诱发砂尘浓度、粒度分布规律及作用力的近似估算方法。     

韧性材料的冲蚀损伤数值仿真综述

砂尘造成韧性材料的冲蚀损伤现象和损伤演化规律是冲蚀机理研究的重要内容，基于相应冲蚀试验和数值仿真的分析 方法是揭示冲蚀机理的重要手段。回顾了砂尘冲蚀损伤研究的缘起和发展经历，在介绍砂尘冲蚀损伤机理的基础上，总结了当前 数值仿真研究的3种主流方法：有限元方法、无网格方法和计算流体动力学方法。从数值仿真角度针对砂尘对韧性材料造成的破 坏模式、砂尘冲击姿态、砂尘冲击速度和形状、砂尘破碎对材料去除机制的影响等4个方面综述了影响冲蚀损伤机理的主要因素 和当前研究进展。砂尘对韧性材料造成的破坏模式通常分为材料凹陷、滑动、犁削、切削等4种不同机制；砂尘的冲击姿态决定了 材料的损伤模式；砂尘的冲击速度和砂尘的形状决定了材料的损伤严重程度；砂尘破碎现象对材料的去除机制有一定影响。     

采用非均匀反弹特性壁面的粒子分离器研究

为了在不改变流道几何型面的基础上实现对较大粒径砂尘轨迹的有效组织,借助数值仿真技术,对一类典型无旋式惯性粒子分离器流道内两相流场展开了模拟研究。通过对典型工况下粒子分离器内砂尘轨迹的追踪和细致分析,首先获得了壁面反弹主导下的较大粒径砂尘的三类基本运动模式及其主要特征。而后以此为基础,充分利用2024铝合金、7020橡胶以及45钢3种典型壁面在反弹特性上的差异,同时结合原流道型面,完成了一种基于非均匀壁面的粒子分离器方案设计。计算表明:通过对鼓包迎风面等关键区域的壁面材质的特殊设计,可在不降低气动性能的前提下实现AC砂及C砂分离效率的显著提升,其增幅分别为6.0%和13.7%。      

带扫气蜗壳的整体式惯性粒子分离器仿真

对一种带有扫气蜗壳的整体式惯性粒子分离器进行了仿真研究,获得了该粒子分离器的流动及粒子分离特性.结果表明:原型方案中粒子分离器扫气通道顶部和底部流动不畅,使得扫气蜗壳不能周向均匀进气并且局部出现倒流.当扫气比为19%时,主流道出口截面总压恢复系数为0.982,AC砂和C砂分离效率较差,分别为64.8%和76.6%.而在扫气蜗壳内收集管上游加装隔板后,其进气特性的周向均匀性及蜗壳内旋涡结构得到改善,粒子分离效率也得到显著提高:相同扫气比下,AC砂和C砂的分离效率分别提高了18.1%和20.9%,且主流道出口截面的总压恢复系数基本不下降.      

TC4钛合金与多层TiN/Ti涂层的砂尘冲蚀损伤试验

建了砂尘冲蚀试验系统,采用粒子成像测速方法获得了气体压力和砂尘速度之间的关系,并在砂尘质量浓度为28.91g/m3,速度为80m/s,冲蚀角度为30°的条件下,对TC4钛合金和多层TiN/Ti涂层进行了冲蚀试验.结果表明:TC4钛合金抗冲蚀损伤能力较差,平均质量损失率达0.7mg/min.多层TiN/Ti涂层可承受砂尘冲蚀200min以上,且TiN/Ti调制比为1:3涂层的抗冲蚀能力优于调制比为1:1的涂层.砂尘粒子垂直冲击速度分量引起的微区剥落是涂层冲蚀损伤的主要原因,增加多层涂层韧性是提高其抗冲蚀性能的关键.      

不同形状砂尘高速冲蚀TC4平板的数值仿真

含有砂尘的空气吸入发动机,会与压气机转子叶片以较高的相对速度发生碰撞,产生砂尘冲蚀现象,严重影响到飞行器飞行安全。通过采用能较好适应大变形的光滑粒子流体动力学(SPH)方法和有限元(FE)耦合的方法,建立不同形状砂尘冲蚀TC4平板模型,研究TC4平板表面受砂尘高速冲蚀的典型损伤形式及其规律。结果表明:砂尘尖角越小,冲击产生的弹坑越深,所造成的损伤也越大;随砂尘逐颗撞击平板,弹坑的深度变化越来越小,表现为平板表面的塑性硬化过程;在砂尘连续冲击下,受到冲击角的影响,损伤处的堆积物可能被砂尘冲脱平板,也可能被重新压回弹坑。      

弓形静子提高压气机抗旋流畸变能力研究

为降低旋流畸变对轴流压气机性能和稳定性的影响,对双级低速轴流压气机的第1级静子进行了3种不同正弯角的弓形叶片设计.采用整环三维定常计算方法,研究了对涡旋流下压气机的性能和稳定性.结果表明:静子采用合理的正弯曲设计能够提高压气机抗对涡旋流的能力.正弯曲弓形静子能够降低端壁区域的负荷,抑制各排叶片叶根区域吸力面附面层分离的形成以减小损失、提高效率和总压比.静叶弯角为10°时峰值效率增加1.5%,失速边界点流量减小6.95%.流量为18.5kg/s时,效率、总压比分别增加1.7%和0.03%.当弯角过大时,叶中区域负荷上升且摩擦损失增大,反而不利于效率和总压比的提升.      

航空发动机砂尘吸入物静电监测仿真实验

提出了航空发动机砂尘吸入物静电监测的仿真实验方法,实验以软件ANSYS电磁场分析模块建立有限元模型为基础,模拟不同粒径、荷质比、运动速度及质量浓度情况下砂尘吸入物的静电感应信号,并分别从时域与频域对感应电荷与电压信号进行分析,研究砂尘吸入物的粒径及其他宏观参数与静电监测信号之间的关系,建立用以表征砂尘颗粒粒径大小的特征指标。基于IDMS(进气监测系统)感应电压信号功率谱密度分布建立了特征向量,并以其曼哈顿距离与欧氏距离作为特征指标表征砂尘颗粒粒径大小。经仿真实验验证:特征指标与砂尘粒径呈正相关,且不受砂尘吸入物运动速度及荷质比变化的影响,但受砂尘吸入物质量浓度影响。进一步研究将利用质量浓度对特征指标进行修正,并开展验证实验。      

涡流管结构参数对其性能的影响

用实验方法研究了热端管管长、分离室直径、冷孔板孔径等主要结构参数对涡流管的制冷制热性能的影响。实验中以空气为介质分别对不同结构参数涡流管的性能进行了研究,得出了热端管管长、分离室直径以及冷孔板孔径等参数对涡流管制冷制热性能的影响规律。研究结果表明:在一定范围内增加热端管长度有利于涡流管的能量分离;在大冷流率下,大直径涡流管的制冷性能优于小直径涡流管;冷孔板孔径愈小,涡流管的制冷制热效应都愈好,在冷孔板孔径与热端管内径之比为50%时,取得最佳的制冷制热效应。      

Turboshaft engine air particle separation

This contribution addresses air particle separation technologies (EAPS) used for helicopter turboshaft engines that operate around unprepared airfields. Three key technologies are discussed. These are: vortex tube separators, inertial particle separators and inlet barrier filters. Some of these technologies are retrofitted or designed around specified airframes; other ones are an integral part of the turboshaft inlet design. For the vortex tubes, a complete review of the current intellectual property is reviewed, and a first-order theoretical model is presented to corroborate the performance of this technology. The inertial particle separators are designed as part of the engine inlets. This technology is more amenable to computational fluid dynamic modelling, coupled with particle dynamics and rebound effects. The inlet barrier filters are part of a large category of filtration systems. A first-order filter theory is derived to predict filter performance as a function of key parameters and useful operation time. The integration of the various EAPS with the helicopter system are discussed.     

基于黏性涡模型的旋翼流场数值方法

 建立了一种适用于旋翼非定常流场特性分析的黏性涡数值方法。在该方法中:流场中的大尺度涡被离散为若干微小的涡元,通过求解涡量-速度形式的Navier-Stokes方程模拟涡元的输运等过程;黏性扩散效应采用高精度的粒子强度交换法进行计算,而桨叶附着涡以及新生涡环量采用了Weissinger-L升力面理论进行求解;为显著提高计算效率,在诱导速度及其梯度的计算中还引入了快速多极子算法(FMM)。应用上述方法,对悬停和前飞状态下的多个旋翼流场算例进行了计算,通过对比旋翼尾迹涡量特征和诱导速度分布等,验证了该方法的有效性。此外,还将本方法与旋翼计算流体力学(CFD)方法及传统的自由尾迹方法进行了比较,结果表明黏性涡方法在兼顾效率的同时,还能够更好地捕捉旋翼尾迹运动。     

喷嘴马赫数对涡流管性能影响的实验

设计加工了不同出口马赫数的喷嘴,搭建了涡流管性能测试试验台,对不同马赫数喷嘴涡流管的能量分离性能进行了实验测试,实验结果表明:出口马赫数为0.5到0.8的喷嘴的涡流管具有很好的能量分离效果,但是当马赫数上升到0.9时效果明显变差.当涡流管入口压力在0.4～0.6 MPa之间时,喷嘴出口马赫数为0.8的涡流管具有最好的制冷效应,但当涡流管入口压力继续增加时各喷嘴涡流管的制冷性能差距不大.      

加力燃油泵隔舌倒圆抑制分离的数值模拟

采用动态亚格子应力模型对加力燃油泵内非定常流场进行大涡模拟,探讨了原隔舌空蚀机理,并研究了不同倒圆半径下泵隔舌附近的瞬时流动规律及流量扬程特性.计算结果表明:小流量工况原隔舌处分离产生的强剪切涡会诱发空化,涡脱落形成的分离再附位置与空蚀破坏核心区域相符;小流量工况下,隔舌倒圆在扩散管内形成转向涡,消除了隔舌壁面分离绕流及附着剪切涡,4mm倒圆半径可以避免空化;设计流量范围内隔舌倒圆提高了泵出口扬程,流量越小扬程增幅越大,小流量工况时扬程增幅达3%.      

不确定性因素下航班延误波及建模与分析

针对机场终端区日益严重的航班延误,提出了一种基于有色－时间Petri网的不确定性因素下航班延误波及分析模型。模型综合考虑航班运行尾流、跑道运行模式、跑道占用时间等运行安全间隔约束,同时根据连续航班间的信息更新,设计进离场航班序列动态调整流程,并由计算模型可得出航班延误总架次及时间。最后,依据历史延误数据分析得出不确定性因素延误的概率分布。选取上海浦东机场为背景对模型进行仿真验证,仿真结果表明,所构建模型可用于战略阶段的航班延误波及程度与过程的评估。     

尾流间隔缩减技术综述

当今世界各主要机场的航班延误已经成为影响航空运输发展的瓶颈,在通过空中交通流量管理提高效率的同时,也有许多科研工作者对尾流间隔的缩减进行了大量的研究。一类技术是通过改进进近程序缩减近距平行跑道的尾流间隔;另一类技术是建立尾流的预测模型,对尾涡的消散和输运进行预测,从而产生动态的尾流间隔咨询,获得更多的着陆或起飞时隙。采用上述技术的尾流间隔缩减系统可以减少延误,增大终端区容量。根据运行原理的不同将上述技术概括为:基于偏置进近程序的尾流间隔缩减技术和基于动态预测的尾流间隔缩减技术。对采用上述两类技术的系统作了详细分析,并比较和论述了优劣。     

飞行器外挂投放数值模拟

采用非结构重叠网格Euler方程的CFD方法数值模拟了外挂投放。该方法在重叠网格"挖洞"时,以"离壁面距离"为挖洞判据;在建立重叠区域插值关系时,对Neighbor to Neighbor(N2N)和Alternating Digital Tree(ADT)两种方法的效率进行了比较。采用机翼/挂架/带舵外挂物模型开展了验证计算。在此基础上,完成了某飞行器外挂投放的初步计算。