三栅极离子推力器电子反流失效影响参数的敏感性研究

电子反流失效模式是离子推力器关键失效模式之一,决定推力器工作寿命。为明确各参数对电子反流失效模式的影响程度,确定加速应力,为地面加速寿命实验验证方案和长寿命优化设计提供数据支持,采用Hybrid-PIC-MCC (Particle in Cell-Monte Carlo Collision)方法,构建了三栅极系统数值仿真模型。采用模型研究了地面真空舱本底压力、屏栅电压、加速栅电压、屏栅与加速栅间距、屏栅上游等离子体密度和放电室工质利用率等参数的影响敏感度对比。研究结果显示,真空舱本底压力可以作为加速寿命试验的首选加速应力,在推力器结构和工作本征参数中工质利用率为最敏感应力,其次是屏栅电压、屏栅上游等离子体密度、加速栅电压、屏栅和加速栅间距。     

燃烧室头部两侧进气掺混气动特性

对一种燃烧室头部两侧进气掺混段的气动特性开展了数值仿真及试验验证,得到了掺混段在不同反压、来流马赫数、攻角及侧滑角下的性能参数和流场特征.结果表明,掺混段头部存在的横向旋涡是燃烧室火焰稳定和燃烧组织的关键,有攻角或侧滑角的情况下,掺混段的总压恢复有所下降,因此组织燃烧时应进行相应调节,以防止进气道进入不稳定工作状态.试验验证结果表明,仿真与试验的曲线规律一致,仿真研究结果可作为燃烧室设计和燃烧组织的依据.      

涡轮叶栅下游二次流损失增长的研究

本文采用了一低速涡轮叶栅在下游若干平面上测量了二次流的总压损失。经研究分析,得出了一套损失的经验公式,并与国外已发表的二次流损失关系式作了比较,对其中存在的疑点提出了看法。试验中采用一小型Kiel快速响应的压力探针,在微机控制下,迅速得到各个截面的总压损失系数平均值,大大提高了测量的速度和精确度。      

亚/超燃混合发动机模块间界面参数设计及数值仿真

对轴对称双燃烧室冲压发动机亚/超燃模块间界面进行了初步设计研究.模拟了两股平行气流掺混的冷态流场, 重点研究了台阶高度、台阶几何形状、亚燃模块流量比例等设计参数对掺混性能的影响规律, 并提出了参数选择建议.在此基础上, 给出了一个性能较优的设计方案, 性能如下:马赫数为4时掺混段出口马赫数为1.48, 总压恢复系数为0.765, 增压比为17.71, 温升比为4.05;马赫数为6时掺混段出口马赫数为2.08, 总压恢复系数为0.502, 增压比为28.03, 温升比为4.67.      

超声速进气道数学模型研究

应用数值模拟方法对二级斜板可调的二元混压式超声速进气道的内流场性能进行了研究，根据数值模拟二元混压式超声速进气道内流场的计算结果，得出每个网格点上的压力，温度，速度及密度等参数，从而求出进气道的总压恢复系数和流量系数，并归纳出进气道主要性能参数与状态参数和几何调节参数之间的关系，得出进气道的特性曲线，建立了二元超声速进气道的数学模型，利用此数学模型，可确定进气道在不同状态下的主要内容特性参数值，并作为建立带进气道、矢量喷管的发动机数学模型的建模基础，对进气道、发动机、矢量喷管的一体化控制有重要的参考价值。     

点火期间装药裂纹内流场特性的有限元计算

通过理论分析,建立了固体火箭发动机推进剂裂纹动态点火的理论模型,对裂纹内部燃烧流动情况进行了理论计算。在非结构网格下,用有限元方法计算了不同几何特性和增压梯度下,火焰在裂纹内的传播及裂纹内的压强变化情况。计算表明：增压梯度越大,裂纹越窄,裂纹内的火焰传播速度越大,裂纹尖端压强也越大。     

涡扇排气系统结构参数对排气声压级影响

基于三维CFD和宽带噪声模型,对不同结构的涡扇排气系统流场和出口声压场分布展开数值计算与分析,获得涵道比、波瓣强迫混合器穿透比和混合段长径比对排气出口声压级的影响规律。数值结果表明:排气系统出口声压级分布与径向速度梯度相对大小分布一致,排气出口速度梯度的减小可以降低排气噪声。涵道比在0.5～3.0,长径比在1～2之间,排气系统涵道比和排气混合段长径比的增加可以降低喷管出口平均噪声声压级;在相同涵道比下,波瓣强迫混合器穿透比的增加,出口平均噪声声压级先大幅减小后缓慢增加。     

横流中喷雾掺混流场结构研究

为了获得有限空间内喷雾在横流影响下的掺混发展及机理,应用PIV系统测量了单个旋流雾化喷嘴产生的喷雾在横流中的掺混流场,实验在矩形通道内实施。获得了3种喷嘴入射角度和3种液气动量比下的掺混截面流场结构。结果表明,由于射流撞击、剪切和壁面约束作用,流场中形成前缘涡和反旋涡对,反旋涡对对掺混起了主要作用。比较不同喷嘴入射角度和液气动量比下的流场结构发现,随喷雾入射角度减小,两相作用提前发生,且反旋涡对尺度小,更利于掺混均匀;随液气动量比减小,气相作用增强,旋涡强度和尺度变小,更小的涡尺度更利于液滴均匀分布。     

Thermodynamic analysis of gas turbines topped with wave rotors

Wave rotors constitute promising gas turbine topping devices. In order to evaluate the potential benefit of these configurations, thermodynamic cycle analyses are carried out for various types of gas turbines including a four-port wave rotor. The parameters chosen to vary are the efficiencies of compression and expansion processes inside the rotor, the wave rotor compression ratio and the mixing and pressure losses in the ducts connecting the wave rotor to the adjacent components of the engine. The results obtained show that almost all the engines under study benefit from the wave rotor addition and that the most significant gain is obtained for gas turbines for which the compressor pressure ratio is moderate (∼5) and the turbine inlet temperature is fairly high (> 1600 K).     

固体火箭冲压发动机燃气流量调节特性

为了研究固体火箭冲压发动机燃气流量调节特性,对固体火箭冲压发动机燃气流量控制阀的5种不同开度下的二维流场进行了数值模拟,分析得出了补燃室压力、阀门开度对流量控制阀流场分布、阀头轴向受力和通过控制阀的燃气质量流量的影响,基于模拟得到的数据,分析得到了固体火箭冲压发动机燃气流量调节特性的参数表达式,该表达式可以用来作为固体火箭冲压发动机燃气流量调节的参考。     

环瓣式浮环密封表面瑞利台阶型槽气体润滑动压特性

为提高密封气膜的开启能力以满足长寿命设计要求,基于气体润滑理论研究了环瓣式浮环密封表面瑞利台阶型槽的动压特性.采用有限差分方法,数值计算了密封气膜压力分布和动压效应,分析了操作参数和型槽几何参数对密封气膜压力和泄漏率的影响规律.结果表明,表面瑞利台阶型槽可以产生明显的气体润滑动压效应,可使得密封气膜平均压力和泄漏率分别...     

一种基于双模态燃烧二元高超声速进气道研究

设计并研究了一种基于双模态燃烧的二元高超声速进气道.通过在进气道内设计一个隔板,将流道分为超声速通道和亚燃通道.采用数值模拟方法,研究了内压段肩部型面,隔板进口高度及水平位置,过渡段起始点及扩张角、下通道出口高度、隔板头部型面等几何设计参数对进气道性能的影响规律,并给出了参数选择建议.结果表明:在研究范围内,内压段肩部型面、隔板进口高度及水平位置和过渡段起始点对总压恢复系数影响较大;而隔板进口高度及头部型面、过渡段扩张角和下通道出口高度对抗反压能力有较大影响.      

一种新型气泡雾化喷嘴水平喷射特性的研究

研究了一种新型锥面注气方式的气泡雾化喷嘴，用水和压缩空气在常温常压下试验了水平喷射时结构和工作参数对雾化及流场特性的影响，用2D-PDA测量了液雾的平均直径尺寸分布和速度分布。结果表明，注气孔的尺寸及数目均对雾化特性产生一定影响；气泡发生器的锥角存在一最佳值，对于本文研究的结构，60°锥角可达到良好的雾化；混合段长度也存在一最佳值范围，提高液体的喷射压力和气液比，能够改善雾化，增大液雾的速度。实验结果表明，锥面多孔注气能有效地抑制水平喷射情况下由浮力产生的气泡聚合，能够使气泡均匀分布，实现稳定、连续的雾化。     

纤维缠绕不等极孔椭球类容器的应力分析及优化

基于微分几何推导出了不等极孔椭球类容器纤维缠绕的非测地线稳定缠绕方程,并根据薄膜理 论、层合板理论、蔡-吴失效准则得到了赤道处纤维层的最小厚度1. 281 7 mm,计算出的纤维方向的应力小于 纤维的极限强度3. 92 GPa。发现纤维缠绕椭球容器的应力状态是赤道处最先发生破坏,且会出现局部失效现 象。以缠绕层最小质量M 为目标函数,蔡-吴失效准则为约束条件,在给定内压5 MPa 的情况下,得到了优化 后的容器质量为34. 072 kg。相比于等极孔的容器而言,非测地线缠绕具有高度非线性、不稳定性及精度难以 控制等问题。     

高压环境下剪切稀化非牛顿撞击射流直接数值模拟

高压环境下的撞击射流是液体火箭推进系统中广泛采用的一种燃料雾化方法,其雾化效果将直接决定最终燃烧效率。采用直接数值模拟（DNS）工具,对10 MPa高压环境下剪切稀化非牛顿直角撞击射流的三维非定常雾化特征、机理及非牛顿特性进行了研究。结果表明：高压环境下该撞击射流的雾化流场呈圆形辐射状分布并形成Mushroom头部和Ω状的局部凸起,气体中的涡量分布表现为有序贴附区和无序爆炸区两类,液膜向液丝的破碎主要受平均气体力和平均黏性力作用影响,而液丝向液滴的破碎则主要受局部流场参数影响,撞击雾化过程中液体无量纲表面积不断增长并可分为5个阶段。此外,撞击射流头部在局部强剪切力作用下其无量纲黏性系数最低降至仅0.7。     

船用低排放塔式分级燃烧室主燃级喷嘴结构优化研究

为了满足船舶燃气轮机污染物排放的需求,设计了一种低排放塔式分级燃烧室,并对其主燃级喷嘴进行结构优化,利用数值模拟方法详细研究了不同喷嘴结构下燃烧室的流场特性及性能参数。结果表明,主燃级由直射式喷嘴更换为空气雾化喷嘴时,可有效避免旋流器壁面燃油积碳;燃烧室内油气掺混水平提高,出口温度分布品质改善,出口NO和CO排放量分别降低71.4%和60%。针对空气雾化喷嘴,燃油管道出口与喷嘴出口之间的高度与其内径之比（H/D）对燃烧室油气分布特性和中截面温度分布的影响远高于其空气出口结构形式,H/D过大或过小时,油气掺混水平恶化,污染物排放量增加。燃烧室出口径向温度分布系数随H/D的增大而减小。综合分析燃烧室油气分布、温度分布和性能参数,确定最优喷嘴的H/D=2,空气出口结构为圆柱型。     

A Self-Consistent Determination of the Temperature Profile and The Magnetic Field Geometry in Winds of Late-Type Stars

Cool giant and supergiant stars generally present low velocity winds with high mass-loss rates. Several models have been proposed to explain the acceleration process of these winds. Although dust is known to be present in these objects, the radiation pressure on these particles is uneffective in reproducing the observed physical parameters of the wind. The most promising acceleration mechanism cited in the literature is the transference of momentum and energy from Alfvén waves to the gas. Usually, these models consider the wind to be isothermal. We present a stellar wind model in which the Alfvén waves are used as the main acceleration mechanism, and determine the temperature profile by solving the energy equation taking into account both the radiative losses and the wave heating. We also determine, self-consistently, the magnetic field geometry as the result of the competition between the magnetic field and the thermal pressure gradient. As the main result, we show that the magnetic geometry presents a super-radial index in the region where the gas pressure is increasing. However, this super-radial index is greater than that observed for the solar corona.     

航空燃气涡轮冷气掺混流动损失的数值研究

采用理论分析的研究方法,对不同冷气掺混形式造成的涡轮气动性能的变化进行了数值计算研究。针对气膜冷却所造成的流动损失,采用修正的Ito等压混合模型;而针对尾缘冷气喷射所造成的流动损失,则采用了修正的Schoberi流动损失模型。对于不同的冷却方式,假定它们之间对主流造成的流动损失是相互独立。以某高压涡轮导向器作为研究对象,分析了各种冷气参数和几何参数对冷气掺混过程的影响规律。研究结果表明,涡轮叶片气冷过程引起的叶栅总压损失随冷气入射角度、吹气比、混合层厚度的变化而显著变化,通过优化设计可以使气冷过程造成的流动损失最小。     

Numerical investigation of the interaction between upstream cavity purge flow and main flow in low aspect ratio turbine cascade

In modern gas turbines, rim seal located between the stator-disc and rotor-disc is used to prevent hot-gas ingestion into the inner stage-gap of high pressure turbine. However, the purge flow supplied to the cavity through the rim seal interacts with the main flow, producing additional aerodynamic loss due to the mixing process which plays a significant role in the formation, development and evolution of downstream secondary flow. In this paper, a set of cascade representative of low aspect ratio turbine is selected to numerically investigate the influence of upstream cavity purge flow on the hub secondary flow structure and aerodynamic loss. Cascade with/without upstream cavity and four different purge mass flow rates are all taken into account in this simulation. Then, a deep insight into the loss mechanism of interaction between purge flow and main flow is gained. The results show that the presence of cavity and purge flow has a significant impact on the main flow which not only changes the vortex structure in both the passage and upstream cavity, but also alters the cascade exit flow angle distribution along the spanwise. Moreover, aerodynamic loss in the cascade rises with the increase of purge flow rate while the sealing effect is also enhanced. Therefore, the effect of upstream cavity purge flow must be considered in the process of turbine aerodynamic design. What is more, it is necessary to minimize the purge flow rate in order to reduce aerodynamic loss on the premise of satisfying cooling requirements.     

离心压气机中进口导叶尾迹的形态、输运及与叶轮流场的相互影响研究

对跨声速离心压气机中进口导叶与叶轮的相互影响作用进行了数值模拟研究,研究模型包括三种几何间距模型及对同一间距几何模型使用了两种不同的转静子交界面位置设定。计算结果表明：转静子交界面位置的设定对于多排叶片混合平面法定常计算性能会产生较大影响,5%叶轮轴向长度的变化就可造成1%的效率、2%的压比差别;进口导叶与叶轮的叶排间距大小对离心压气机级气动性能影响很小,但间距较小时会造成流场内较大的压力波动。在近叶排间距时,导叶切割叶轮激波会在导叶压力面侧产生一个高损失区,并沿导叶表面向上游传播;该高损失区由激波压力波造成。此外,激波存在与否,影响到两排叶片流场的相互影响作用强度：激波使叶轮对导叶流场的影响几倍甚至十几倍大于导叶对叶轮流场的影响;激波的影响作用使导叶压力面、吸力面侧压力波动由不同的原因造成。最后,在近叶排间距时,初始进入叶轮通道内且靠近主叶片压力面的尾迹相对靠近吸力面的尾迹片会滞后;完全进入叶轮通道后,近压力面侧尾迹的滞后更显著。