非稳态流体网络方法在发动机空气冷却系统中的应用

将流体网络法与非稳态模拟方法相结合应用到发动机空气冷却系统沿程温度、压力、流量的非稳态特性预测中.本方法将空气系统简化为节点和元件组成的网络,节点和元件处建立守恒方程,针对传统解法的计算稳定性问题引入了压力修正和积分方法相结合的求解方法.程序应用到可参考对照的模型中得到验证.验证后的程序被应用到发动机轴部冷却通道空气系统非稳态特性预测中.      

流体网络法在发动机空气冷却系统设计中的应用

将一维稳态流体网络方法应用到发动机空气冷却系统沿程压力、温度和流量预测中.该方法将空气系统简化为节点和元件组成的网络,节点和元件处建立守恒方程,在压力修正、流热耦合方法基础上引入系数迭代修正求解.程序应用到有经验关联式的模型中验证,计算结果与经验关系式吻合得较好.验证后的程序被应用到某发动机空气系统初步设计方案的校核和改进中,在模拟结果指导下的参数调整很好地满足了设计要求.      

流固网络一体化模拟方法探索及应用

推导了一种新的流体网络与固体网络一体化模拟方法编成程序应用到航空发动机空气系统及沿程固体域的温度、压力、流量预测中.该方法将模拟系统简化为节点和元件组成的网络,节点和元件处建立守恒方程,应用新的方法将流体和固体网络统一求解.程序应用到有参考结果的算例中得到验证,验证后的程序被应用到某预研航空发动机涡轮盘的流场和温度场预测中,为工程设计提供了有用的参考.      

基于蒙特卡罗法的航空发动机空气系统稳态算法优化

针对目前航空发动机空气系统稳态算法中收敛性依赖初值的问题,将蒙特卡罗方法与流体网络法综合应用到空气系统可压缩流体一维网络计算中,提出了一种新的计算方法Monte Carlo-Fluid Network（MC-FN）。该方法将空气系统简化为由节点和元件组成的网络,借助蒙特卡罗方法获得空气系统内各节点压力分配,再根据空气系统中各元件流阻特性和换热特性计算流量、温度。计算中通过将游动次数比较少的蒙特卡罗方法的计算结果作为流量残差法节点压力、温度的初始值,实现快速求得精确收敛解。与流量残差算法相比,MC-FN方法计算精度不变,收敛速度提升了66.5%;与线性求解法相比,MC-FN方法的计算精度提升了25.2%,收敛速度提升了43.8%。     

基于蒙特卡罗法的航空发动机稳态空气系统网络计算

为了解决目前稳态空气系统算法在求解复杂网络时不容易获得收敛解的问题,将航空发动机稳态空气系统简化为由节点和元件组成的网络,借助概率思想计算连续性方程和能量方程,建立相应的随机游动模型,运用蒙特卡罗方法求解各节点的压力,再根据流量与元件两端压力的关系,计算流经各元件的流体流量。将计算得到的不同工况下航空发动机稳态空气系统内部节点的压力和流量值,与flowmaster计算结果进行比较,二者吻合较好,压力最大偏差为0.628%。蒙特卡罗方法与网络法相比,优势在于计算简便,且不会出现无法求解复杂空气系统网络的情况。     

等温不可压流体系统稳态数值计算方法研究

航空工业领域广泛存在着流体系统,任何流体系统均可化为只有节点和分支组成的通用流体网络,本文研究了这种通用流体网络的数值计算方法.将连续方程施加到节点,将动量方程施加到分支,建立起等温不可压流体系统的非线性控制方程组.根据Newton-Raphson迭代思想,研究了基于高斯-约当消去法的流体系统控制方程组数值求解方法.在此基础上,采用压缩矩阵存储技术开发了流体系统仿真平台FOCUSS-FS.通过算例进行验证,结果表明:本文计算方法能够准确获得任意流体网络的压强和流量分布,收敛速度快且效率较高,内存消耗小.     

某型飞机燃油系统数值建模方法与仿真分析

基于Flowmaster2软件建立了某型飞机燃油系统的整体仿真模型,并进行了瞬态和稳态分析。在瞬态分析中得到几个压力值较大的节点,在稳态分析中得到个别流速流量均出现较大幅值的元件,并且得到发动机入口流量完全符合设计要求。分析结果均可以对该整体系统较好的进行流体力学行为描述,同时为改进和优化设计燃油系统提供了新思路和方法。     

二次空气系统一维非定常计算方法

研究了燃气轮机二次空气系统的非定常计算方法.通过将整个二次空气系统划分为两部分,特征"长"元件以及局部损失元件.特征线法用于单个特征"长"元件的求解,通过将连续方程、动量方程、能量方程构成的偏微分方程组转换为常微分方程组并联立求解,可以充分考虑内部流动与换热的相互影响;基于压力修正的流体网络法则用于由多个局部损失元件组成的局部流体网络,首先对动量方程组进行求解,进而对各自的能量方程进行求解.如何在采用这两种方法进行求解的上述两类元件之间进行数据交互将被讨论.此外,所提出的时间步长定义方法以及改进的元件计算模型使得二次空气系统的非定常分析得以实现.计算程序经与某系统定常实验数据及单个元件的非定常计算数据进行对比,在10s的计算时间内,基于特征线法得到结果与CFD数据偏差达到10.2%,结果表明该计算程序可以满足二次空气系统非定常计算的要求.     

强瞬变空气系统的模块化仿真建模

提出一种针对强瞬变空气系统的模块化建模方法,该方法将空气系统模型分解为由规范接口互联的4类基本元件,并考虑了空气系统强瞬变过程中容腔效应和气体惯性力的耦合影响.基于面向对象的技术开发了仿真程序,并使用公开的数据对模型进行验证.结果表明:该仿真模型能够正确模拟空气系统强瞬变过程中的局部逆流、压力波传导、多容腔耦合振荡等毫秒时间量级物理现象,不仅如此,其模块化的设计特征也为进一步耦合精细的空气系统元件和建立复杂空气系统网络奠定了基础,该模块化仿真方法在航空发动机空气系统的复杂动态响应特性和机理的研究中具有切实应用前景.      

圆球绕流场的尾涡分析和升阻力研究

采用自编的分块算法程序模拟了雷诺数在20～1000之间的圆球绕流场.在Re=25时捕捉到流动分离,与试验结果一致.对Re=250时稳态非对称尾流区内流体的输运情况进行研究,证实圆球绕流场中纵向对称面的存在.对于非稳态流动,主要研究了阻力和横向力的时间变化规律,并分析了频谱特征.计算发现横向合力主要在横截面上两个很窄的区间内偏移.经过几种不同涡定义方法的优劣测试,本文采用Hunt等人介绍的Q-定义方法对非稳态绕流场的尾涡结构进行了直观描述.     

注塑模熔体非牛顿流动的数值模拟

研究注塑模流动的数值模拟。用有限元-有限差分方法模拟非牛顿流体的压力场和温度场,用流体网格法（FAN）模拟熔体锋面的推进过程,这种方法具有通用性好和容易实现自动推进的优点。在486微机上对几个算例进行了模拟计算。比较了牛顿和非牛顿流体的流动特点和锋面推进自动处理的效果,得到了满意的结果。     

在尾流激振情况下叶片振动应力预估技术

研究了前排静子叶片的尾流对后排转子叶片振动的影响.采用参数多项式方法和振荡流体力学理论, 求解静子叶片后的尾流场及尾流场作用下转子叶片通道内的非定常流场.把非定常气动分析给出的压力场, 转化为结构动力分析中的载荷压力场形式.根据试验结果得出响应分析中的阻尼, 先求解出各阶谐波作用下转子叶片的响应结果, 再把各阶响应结果进行叠加, 得到总响应.从流场求解到响应求解, 为工程应用初步建立起了一个尾流激振情况下叶片振动应力预估的半经验方法.      

BVF诊断在非定常转静匹配中的应用

对一台高负荷跨声速单级风扇进行了非定常数值模拟.并将BVF(boundary vorticity flux, 边界涡量流)诊断方法应用于非定常条件下的转静干涉研究中.结果表明BVF不仅能够清晰地捕捉到转静干涉对流场的影响, 指出转子叶排的尾迹干扰是引发下游叶排通道流场非定常特性的最主要因素, 还能够根据叶片表面出现的一些细节, 结合静压、熵等分析方法, 找出动叶的叶尖和静叶的叶根在转静匹配中存在的问题.表明BVF诊断方法能够反映出转静匹配的状态好坏, 并指出改进设计的方向, 是一种能够有效找出对流场产生负面影响的根源, 并指出削弱甚至消除这些负面影响办法的新型诊断方法.      

基于拉格朗日拟序结构的局部激励流动分离控制有效性分析方法

从流体输运角度提出了用于局部周期激励流动分离控制有效性研究的数值分析方法。基于有限时间不变流形理论建立用于非定常流动的流体输运分析方法,并采用数值方法从非定常流场中提取得到吸引拉格朗日拟序结构（LCSs）和排斥LCSs描述流体输运行为。通过对局部周期激励的流动分离控制规律的研究,结果表明存在三种与激励频率相关的影响翼型气动特性的流体输运模式,其中在锁频激励下吸引LCSs在前缘形成的尖楔结构有效增强主流与分离区流体的物质交换,减小翼面流动分离区的面积,显著提高翼型升力。     

二次空气系统盘腔一维非定常计算方法

通过对盘腔结构的一维算法展开研究,提出适用于具有非标准结构、包含多个进出口的复杂盘腔的一维建模规则,并采用特征线法,实现盘腔结构的一维非定常流动与换热的计算,通过将广义的变截面、有摩擦、考虑对外热交换的盘腔一维可压缩非定常流动与换热的偏微分方程组转换为常微分方程组,进而获得盘腔内部沿流动方向压力、流量、温度等系统参数的特征线数值解,采用商业计算流体软件CFX对其进行验证.结果表明:所提出的盘腔建模与计算规则能够直观且准确地描述盘腔一维非定常流动及换热特征,仿真结果与CFX计算结果最大偏差约为9.4%,可应用于具有非标准结构的多接口复杂盘腔的模拟,可以作为二次空气系统盘腔结构一维非定常计算研究的有效手段.      

双对置二冲程柴油机扫气过程仿真研究

基于双对置二冲程柴油机直流扫气过程流动特点,建立了该发动机扫气过程瞬态流动三维计算流体动力学(CFD)仿真模型,应用AVL FIRE软件对该发动机额定工况(功率160 kW,转速2 500 r/min)下的扫气过程进行了仿真研究,结果显示该工况下发动机扫气效率可达94%.通过扫气过程不同时刻流场分析发现,采用直流扫气方式可较好避免新鲜充量与废气的相互掺混,有效提高高速二冲程发动机扫气质量.      

双旋翼微型飞行器的非定常气动特性

发展了一种基于计算流体力学(CFD)的非定常气动特性预测方法,计算方法包括了动量源模型、预处理方法、非结构嵌套网格和Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型等技术.通过计算悬停Caradonna-Tung算例和俯仰振荡NACA0012算例,验证了计算方法模拟双旋翼微型飞行器动态流场的有效性.数值模拟了双旋翼微型飞行器动态流场,给出了非定常气动系数的迟滞曲线,分析了缩减频率、前飞速度和螺旋桨转速对非定常气动特性的影响.计算结果表明:力矩系数迟滞效应随缩减频率、前飞速度和螺旋桨转速增大而增大,升力系数迟滞效应随缩减频率和前飞速度增大而增大,但基本不随螺旋桨转速变化而变化.      

非定常耦合流动对叶片动力响应的影响

针对"在轴流压气机中实现非定常耦合流动状态时,是否会引发下游转子产生结构振动问题"进行了研究.在已有的三维非定常CFD(计算流体动力学)计算频谱分析结果的基础上,使用有限元方法进行模态分析,通过调整上游静叶数的手段,研究实现耦合流动后产生的动力响应问题,并对调整前后压气机的气动特性进行比较.结果证明,通过适当的调整上游静子叶片数,可以在最大化发掘非定常耦合流动的潜力的同时避开转子的共振频率.