亚音速扩压器性能计算

 一、组合法 用Bower的方法计算具有附着和分离紊流附面层的轴对称和二元亚音速扩压器的有关性能参数时,如分离区较大,则与试验数据相比误差较大。而按联合积分法（UIM法）计算具有分离区的扩压器的有关性能参数,则有较大的优点。其基本点和Bower的方法相同,即将附面层方程和无粘核心流方程联立求解。但对分离区的处理比Bower的方法较为合理,它直接采用修正的Coles壁面-尾流定律的速度分布关系式,将附面层动量积分方程中的壁面摩擦系数与速度分布关系式中的摩擦速度联系起来，而不采用对分离区不适用的壁面摩擦系数经验公式，并考虑了附面层外部区域的非平衡流情况。但该方法没有考虑气流压缩性，计算高亚音速扩压器时误差较大。     

尖前缘平板的高超声速粘性干扰效应引起的压力分布规律研究

采用CFD方法计算了多种来流条件下高超声速平板绕流的粘性干扰现象,计算与实验结果吻合良好。针对理论分析在平板前缘失1效的情况,结合理论分析、CFD结果和试验结果对原有沿流向壁面压力分布关系式进行了修正,使得修正后关系式在整个平板上与相关数据吻合,显著增加了压力分布关系式的应用范围。同时根据CFD计算结果,分析了平板附面层内压力等流动参数的分布规律,发现附面层内法向压力分布存在峰值,壁面压力分布大于来流静压,并给出了峰值压力及其位置的拟合式。     

来流参数对防热瓦横缝旋涡结构及热环境的影响

针对高超声速飞行器表面缝隙内部流动,通过求解可压缩Navier-Stokes方程,自主研发了一套能够较好模拟缝隙流动特性的计算流体力学(CFD)软件。利用该软件研究了来流参数对防热瓦横缝旋涡结构及热环境的影响。计算结果表明:随着来流雷诺数的增加,缝内旋涡结构呈现主涡个数增多形态趋于饱满的变化趋势,缝隙壁面绝对热流和无量纲热流增加;随着来流马赫数的增加,缝内主涡个数、形态基本不变,但主涡旋转速度增加,缝隙壁面绝对热流增加,无量纲热流基本不变;随着来流迎角的增加(迎角较小时),缝内旋涡结构和热流变化规律基本与增加来流雷诺数相同。由此分析可知,涡量向下传递并形成旋涡的距离,即形成所谓"死水区"的深度,主要由来流雷诺数和来流迎角决定。     

喉部结构对微喷管性能的影响

以FLUENT6.1为工具,利用数值计算求解二维稳态可压缩N-S方程,模拟了喉部有无圆弧过渡以及不同的喉部曲率半径对扩张比为5.4的收缩-扩张微喷管x方向质量流速和总压力影响,进而研究了对微喷管的流量系数和推力效率影响.数值计算结果表明:喉部有无圆弧过渡以及不同的喉部曲率半径,将会影响微喷管出口处x方向的质量流速和总压力分布,随着微喷管喉部特征雷诺数的增大,相对应微喷管最大流量和推力的微喷管喉部曲率半径也相应增加.      

湍流附面层方程的有限差分解

本文用三点隐式有限差分法数值求解了轴对称流动的层流、转捩和湍流可压缩附面层方程,湍流附面层用两层概念处理,而每一层用适当的涡粘性模型代替Reynolds应力项,用常值湍流Prandtl数将湍流热流项与Reynolds应力关联起来。支配方程用迭代法求解。计算结果表明,采用本文改进的涡粘性模型和涡粘性分布的平滑办法,对文中所计算的几种情况,都给出了满意的结果。     

H型叶栅通道流计算网格的改进

提出一种壁面正交、尾迹区网格节点分布逐渐均匀化叶栅通道网格生成方法。为了研究壁面处网格正交性对数值计算结果的影响，推导出壁面附近流动参数一阶导数离散误差与网格线交角的数学关系。采用N-S方程分别对平板紊流附面层流和叶栅通道流进行计算分析。结果表明：壁面处网格正交性对附面层内流动计算预测精度影响较大，而对势流区流动影响很小；尾迹区切向网格节点逐渐均匀化分布能更准确计算尾迹区流动。     

浮环涡动对浮动环轴承油膜压力分布影响的研究

研究了考虑浮动环涡动时,内、外层挤压油膜力的分布情况.从广义不可压Reynolds方程出发,推导了浮环轴承内、外层油膜的瞬态控制方程,结合Hirs整体流动理论和Moody壁面摩擦系数方程,获取浮动环的运动方程.通过算例,较为深入地研究了浮动环涡动情况以及对油膜压力分布的影响:进动半径随轴颈偏心率增大而略呈减小趋势,内层油膜其正压力区将沿周向平移.      

分离流中旋涡运动的热行为及其控制的数值模拟

以压缩拐角流动为例，对分离流中旋涡运动的热行为及其控制进行了数值模拟研究。研究结果表明，光滑表面上流动的分离特性及其热行为受到壁面温度的极大影响，提高壁面温度可以使分离点前移，再附点后移，分离范围扩大，涡心提高，而再附点附近及峰值热流则经历了一个先上升后下降的非单调变化过程；分离区和现附点附近的温度型与附着流差别明显，具有很高的峰值和很靠近物面的峰值点，从而造成高热流。而且温度梯度随壁温的不敏感性     

端壁附面层抽吸对大转角扩压叶栅旋涡影响的实验研究

为探明附面层抽吸技术对压气机叶栅气动性能的影响及其与栅内旋涡结构的关联,通过十个横截面的实验测量结果研究了高负荷压气机叶栅抽吸端壁附面层前后的主要旋涡结构以其对应损失的演变过程。研究对象为矩形低速扩压叶栅,来流马赫数约为0.23。研究结果表明,端壁附面层的变化对叶栅端区的主要旋涡发展过程影响显著。在原型方案中,壁面涡、尾缘脱落涡的演变过程对应着较高的流动损失,通道涡自身产生的损失较小,主要起到向远离端壁的方向输运低能流体的作用;在流向槽吸气方案中,壁面涡和尾缘脱落涡因端壁附面层径向迁移及角区分离受到抑制而被明显削弱;而来流附面层抽吸方案则最为有效地控制了通道涡的演变过程。      

矢量喷管内燃气辐射与壁面温度的耦合计算

选取内、外调节片和隔热屏建立几何模型,基于封闭腔净辐射模型和壁面热平衡模型建立了燃气辐射与喷管壁面温度的耦合算法.波段为1~5μm的气体辐射采用窄波带模型计算,其他波段不考虑气体辐射,建立辐射净热流密度-有效辐射亮度-壁面温度的关联式求解燃气与壁面的辐射换热,采用牛顿-拉斐尔森迭代法求解壁面热平衡方程计算其温度.对某轴对称矢量喷管(偏转20°),计算了喷管壁面的红外光谱辐射和辐射净热流密度,以及各部分结构的温度.作为验证,还计算了文献中某液体火箭发动机轴对称矢量喷管壁面的辐射净热流密度,与文献的结果进行对比一致性较好.研究表明:轴对称矢量喷管偏转段沿周向的辐射热流密度和温度差异很大,沿偏转方向部位壁面的温度和辐射热流密度都较低,偏转方向壁面的温度比相反方向大约低10%,辐射热流密度大约低50%.      

不同来流附面层厚度下容腔泄漏流对围带式静叶性能影响

基于验证的数值模拟方法，针对带容腔结构的围带式静叶，研究了容腔泄漏流对其性能的影响以及容腔泄漏流与主流的相互干涉作用。在不同的来流附面层厚度下，探讨了叶栅二次流运动和角区分离发展情况，并通过总压损失系数和熵增系数对性能变化进行评判。结果表明：附面层厚度的增加使无容腔扩压叶栅总压损失系数和熵增损失系数增加。容腔泄漏流使叶片前缘出现容腔泄漏涡，并对通道涡的发展和集中脱落涡的大小产生影响；同时容腔泄漏流加强了叶栅通道内的三维流动效应，削弱了近端壁面流体的横向偏转；随着附面层增厚，带容腔的扩压叶栅的总压损失系数和熵增损失系数变化程度不明显。     

浮动环涡动对浮环轴承油膜压力分布影响的研究

研究了考虑浮动环涡动时,内、外层挤压油膜力的分布情况。从广义不可压Reynolds方程出发,推导了浮环轴承内、外层油膜的瞬态控制方程,结合Hirs整体流动理论和Moody壁面摩擦系数方程,获取浮动环的运动方程。通过算例,较为深入地研究了浮动环涡动情况以及对油膜压力分布的影响：涡动半径随轴颈偏心率增大而略呈减小趋势,内层油膜其正压力区将沿周向平移。     

带跨音结尾激波的二元收-扩管内附面层控制实验研究

本文较深入地研究了由直-曲壁构成的二元收-扩管内收敛段底壁的附画层抽气板形状,在吸除系数为1条件下,吸除附面层对几何喉道附近壁画、对跨音结尾激波与扩压器壁附面层干扰区上游的附面层发展的影响;研究了结尾跨音激波与扩压器底壁附面层干扰区的附面层控制对其下游的流场畸变的影响;文中并对有、无附面层控制下的干扰区下游的动态畸变作了比较.指出,通过对干扰区的附面层抽吸,近壁面的紊流度峰值和平均值大大下降.     

管内流动的临界热流研究

本文是对管内流动的临界热流进行试验研究和理论分析.从沸腾机理分析和应用两相流的相似原理进行处理,我们推导了表达临界热流计算的准则方程.用6种不同的冷却剂,355个实验数据进行修正处理求得了常数A和指数h,m,n的数值.引入一个考虑冷却套缝隙高度变化影响的无因次修正项,上述方程成为计算管内流动临界热流的通用方程     

"X"布局高超声速倒置进气道激波与附面层干扰

采用标准k-ω SST湍流模型数值计算方法,针对二元高超声速倒置进气道激波与附面层严重的干扰现象,采用分流楔抑制激波与附面层干扰方法,对有无分流楔的进气道性能及流动机理特征进行了详细的研究。结果表明:采用分流楔的流动控制方法,有效抑制了激波/附面层产生的分离包对进气道内流动的干扰;提高倒置进气道的气动性能,进气道的总压恢复系数和流量捕获系数均有提高,计算模型的壁面总阻力系数得到一定程度的减小。数值计算结果表明,在分流楔尾迹中强剪切流动在一定程度上缓解了激波与附面层干扰的强度;在分流楔后缘存在稳定的横向涡,由于气流进入尾迹驻涡是来自附面层外的总压较高的高能流体,提高了附面层的抗逆压能力;由于尾迹驻涡的存在使得分离涡没有向弹体周向扩散,减小了阻力。该方法实现了对高超声速倒置进气道激波/附面层干扰的抑制,揭示了其抑制的机理。     

射流式旋涡发生器最佳速度比的工程估算方法

本文从分析侧斜射流-横向流干扰的涡流场出发,讨论了用于附面层控制的射流式旋涡发生器速度此的选择问题。提出了使壁面处产生最大涡诱导速度的速度比Ropt.v和使附面层形状因子获得最大改善的速度比Ropt.H。根据涡参数变化的经验关系推得确定Ropt.v的经验公式,结合射孔后倒流区范围的试验结果,可以估算Ropt.H,估算值与平板附面层试验测量结果相符。      

"X"布局高超声速倒置进气道激波与附面层干扰抑制研究

采用标准k-ωSST湍流模型数值计算方法,针对二元高超声速倒置进气道激波与附面层严重的干扰现象,采用分流楔抑制激波与附面层干扰方法,对有无分流楔的进气道性能及流动机理特征进行了详细的研究。结果表明:采用分流楔的流动控制方法,有效抑制了激波/附面层产生的分离包对进气道内流动的干扰;提高倒置进气道的气动性能,进气道的总压恢复系数和流量捕获系数均有提高,计算模型的壁面总阻力系数得到一定程度的减小。数值计算结果表明,在分流楔尾迹中强剪切流动在一定程度上缓解了激波与附面层干扰的强度;在分流楔后缘存在稳定的横向涡,由于气流进入尾迹驻涡是来自附面层外的总压较高的高能流体,提高了附面层的抗逆压能力;由于尾迹驻涡的存在使得分离涡没有向弹体周向扩散,减小了阻力。该方法实现了对高超声速倒置进气道激波/附面层干扰的抑制,揭示了其抑制的机理。     

静叶时序对压气机叶片附面层流动影响的数值研究

采用数值方法对两级低速压气机中径处的非定常流场进行模拟,针对压气机第2排静叶两个典型周向位置对动静叶干扰下的叶片附面层流动进行研究.建立尾迹与附面层干扰分析模型,结合叶片壁面摩擦力和近壁面附面层湍动能,详细分析了尾迹和势流干扰下静叶时序改变对叶片附面层流动产生的影响.对第2排静叶附面层的研究结果表明:静叶时序改变了尾迹在其叶排中的输运特征,能够降低壁面摩擦力和近壁面湍动能及其非定常最大波动幅值,影响吸力面附面层内动叶尾迹后沉寂区的宽度.在非定常条件下,尾迹能够诱导静叶层流附面层在尾迹干扰的局部范围内转捩发展为湍流状态,同时高湍流度尾迹的干扰具有抑制逆压梯度下附面层分离的作用,并能够延长层流区的范围.     

马赫数2.048的二元平板紊流附面层及其与激波干扰的实验研究

本文介绍了M=2.048的二元平板紊流附面层和附面层与激波(激波板相对气流为8.9°)干扰实验的设备、测试仪器、数据处理以及主要的实验结果。实验用的风洞试验段截面积为0.6×0.6米~2,每米长雷诺数月Re=2.1×10~7,以激波干扰区附面层厚度为参考长度的雷诺数Reδ_0)≈10~6。 二元平板紊流附面层速度型的实验结果接近于u/ue=(h/δ)~(1/7),而且与二元可压缩附面层方程有限差分解的数值结果符合较好。实验结果与二元平板不可压附面层壁面定律和尾迹定律公式计算值的变化规律接近,但计算结果偏大些,而与速度亏损定律的结论则是一致的。 文中亦给出了由实验结果推算的激波附面层干扰时动涡粘系数ε_m沿流线的定性分布规律:在附面层内层区域,ε_m通过干扰区是逐渐增大的,至干扰区下游时恢复到某一大干上游区的ε_m值。而在外层区域,ε_m在干扰区是先减小后再增大,这时下游区的ε_m略大于上游区的ε_m值。     

前缘钝化对高超声速舵面气动/热特性影响研究

利用雷诺平均Navier-Stokes方程研究了高超声速舵面前缘半径对气动力/热特性的影响规律。根据高超声速热流计算中对壁面网格的要求,生成了适合于热流计算的结构化网格。首先以圆柱和钝双锥高超声速的粘性绕流数值模拟为例,验证了网格生成方法的可靠性和计算方法的正确性。在此基础上,以六边形翼型为基准开展了高超声速下舵面的前缘半径对升阻特性和热流密度的影响规律研究。研究表明,增加前缘钝化半径可有效降低热流密度峰值,热流密度峰值随着前缘半径增加先急剧下降,而后渐趋平缓;升力系数随前缘半径的增加呈近线性减小趋势,阻力系数随前缘半径的增加呈近线性增加趋势。研究结果可为高超声速舵面设计提供定量参考依据。