直升机粒子分离器三维两相流场的数值模拟

本文以某型直升机粒子分离器为研究对象, 在三维非正交曲线坐标系下计算湍流分叉流动和砂粒运动, 结合边界条件特殊处理, 采用分块计算来考虑叶片对流场的影响, 首次对有叶片粒子分离器三维两相流动进行了数值模拟。      

整体式粒子分离器数值模拟

 为找出分离效率更高、压力损失更小的最优型面设计,以两种型面差异较大的整体式惯性粒子分离器为研究对象,利用FLUENT计算软件对其内二维两相流动进行了数值模拟,得到了分离器对不同粒径的砂粒的分离效率,以及不同清除比对分离效率的影响,并对计算结果进行了比较分析。在此基础上,分析了型面对分离效率的影响因素。计算采用标准k-ε模型,颗粒相采用拉格朗日轨道模型。结果表明：对C规范砂,型面变化剧烈的模型（IPS01）的分离效率比型面变化平缓的模型（IPS02）的平均低1.60%,进气总压损失平均增大0.53%;对AC粗砂,分离效率前者比后者平均高0.25%,进气总压损失平均增大0.58%。相比较而言,IPS02更具实际应用价值。     

二维粒子分离器的流场及分离效率的数值模拟

数值模拟了某型惯性粒子分离器(简称IPS)的二维有粘轴对称流场分布、及各种不同尺寸砂粒的轨迹及分离效率,采用贴体坐标网格,并将多连通域转换成单连通域,在任意非正交曲线坐标系下求解IPS的分叉流动、粒子运动轨迹和分离效率。计算与实验结果吻合良好,表明:本文所采用的方法和编制的程序能反映粒子分离器的主要特征。      

粒子分离器叶片涂层冲蚀磨损的数值模拟

以叶片涂层为对象,研究其冲蚀过程中损伤的演化过程.首先进行了流场计算.其次通过对单个固体颗粒冲蚀过程的模拟,提出了\"碰撞有效影响区域\"的概念,使得多个固体颗粒连续冲蚀数值模拟得以实现.接下来通过模拟\"碰撞有效影响区域\"内材料受到固体颗粒连续冲蚀的过程获得材料的抗冲蚀磨损性能.最后,将流场数据和涂层抗冲蚀磨损性能参数相结合来模拟叶片涂层的冲蚀过程,指出了涂层的薄弱区域并进行了寿命预测.      

整体式粒子分离器性能的试验研究

为了探索整体式进气粒子分离器(IPS)分离效率的变化规律,针对两种具有不同型面曲率的整体式粒子分离器的三维结构模型开展试验,重点研究了主流路流量、扫气比(SCR)、进口马赫数、进口砂粒浓度和分离器间距对粒子分离器性能的影响规律。实验结果表明:(1)对于不同粒径砂粒,两种模型分离效率均出现随着主流路流量增大而减小的趋势,其中在主流路流量相同的情况下,型面变化平缓的模型分离性能要优于型面变化剧烈的模型;(2)两种整体式粒子分离器模型的分离效率均随扫气比的增大呈现先增大后减小的变化,且这种规律与砂粒粒径无关;(3)随着进口马赫数的增大,两种整体式粒子分离器模型分离效率均仅出现小幅度减小,但在同一进口马赫数下,两种模型分离效率差异显著,最大达到6.54%;(4)采用C级砂时,可以认为粒子浓度对粒子分离器的分离效率没有影响;(5)当分离器轴向间距减小或径向偏离轴线间距减小时,粒子分离器模型的分离效率将出现不同幅度增大。     

裙后向台阶超声速绕流特性数值研究

本文研究了在中部带有裙体后向台阶的轴对称体的超声速绕流特性。采用空间推进法数值模拟超声速无粘流场，对于轴对称后向台阶的分离区采用Ｃｈａｐｍａｎ－Ｋｏｒｓｔ理论模型进行处理，计算结果给出了与实验值吻合的物面压力分布以及超声速流场的流动图画。     

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%。      

轴对称矢量喷管内流特性的数值模拟研究

利用矢通量分裂有限体积格式和B-L湍流模型,采用TTM网格生成和局部网格加密技术,求解三维N-S方程,对轴对称矢量喷管的内流流场进行数值模拟,并将计算结果与模型试验结果进行了分析比较。研究结果表明,在矢量状态下,计算结果和试验结果相比,壁面静压分布的相对误差不大于13%,气动矢量角的相对误差不大于10%,推力系数的相对误差不大于2%,所开发的计算方法和计算程序可用于轴对称矢量喷管的工程设计。      

翼吊发动机短舱对增升装置气动特性影响研究

增升装置的气动效率对于全机整体性能有重要影响,而当代大多数跨音速运输类飞机均采用翼吊发动机布局。通过对有、无翼吊短舱的两个三维增升装置的数值模拟,研究了翼吊发动机短舱对于增升装置气动性能的影响。结果表明,翼吊发动机短舱会严重恶化增升装置的气动性能。流动机理分析表明,短舱挂架与机翼前缘结合处的缝翼缺口及大迎角时绕过短舱的分离气流是造成增升装置气动性能恶化的两个主要原因。     

带整体式粒子分离器的涡轴发动机进口支板的三维积冰数值研究

整体式粒子分离器对涡轴发动机的气动乃至积冰都会有影响。为了获得涡轴发动机进口支板的积冰特性,以包含整体式粒子分离器的涡轴发动机进气机匣为模型,选取间断最大结冰条件,采用欧拉-欧拉法模拟了进气机匣内的空气-过冷水滴两相流场,并计算了支板表面的水滴撞击特性,再应用考虑水膜流动和蒸发的三维积冰模型对支板表面的积冰进行了模拟。计算结果表明,机匣进口的水滴有99.4%进入了扫气流道,而且结冰参数在支板前缘上游呈现出明显的周向不均匀性。对于主流道下游的4片支板,仅距离蜗壳起始位置最近的支板前缘局部受到显著的水滴撞击,最大水收集系数达到3.8,当积冰总时间为74s时,该支板表面最大积冰厚度约8mm,其余3片支板表面几乎没有水滴撞击和积冰现象。本文的研究结果可为考虑整体式粒子分离器影响的涡轴发动机进口支板的防冰设计提供依据。     

涡轮级三维粘性流场的数值模拟

本文给出了一种求解涡轮级三维定常粘性流场的计算方法,并对某型航空发动机的高压涡轮进行了数值模拟。该计算程序考虑到了涡轮级工作温度范围较大而引起的变比热问题。文中采用了三阶精度的TVD格式和B-L湍流模型。叶列间参数的传递采用了“混合平面”法。叶列间处理采用外推无反射边界条件来保证参数在交接面上的周向不均匀。同时在交接面上构造了Riemann解和使用松弛因子来提高程序在叶列间小间隙情况下的稳定性。      

三维C-H网格下跨音压气机转子Euler流场数值模拟

介绍了三维C-H网格的生成和全三维转子流场的数值解。以法国宇航院设计的一个高负荷跨音转子为算例, 并与他们的计算结果作了比较。应用这套数值模拟技术得以计算带进口预旋的某跨音压气机转子流场, 并对进口预旋对其下游的转子流场的影响作了数值模拟, 得出了若干有意义的结论。      

粘性三维流动计算的任意拉格朗日—欧拉法

推导了旋转叶轮内流三维粘性流动计算的ALE格式。以网格的虚拟运动计算对流作用;采用粘性子循环时步、拉格朗日子循环时步加速收敛;改进上风格式为部分施主单元格式来减小扩散同时实现良好的计算性能;由通量限制控制耗散截断误差;计算中引入短波长阻尼以消除不规则性;以亚网格(SGS)湍流模式模拟湍流运动。      

用N-S方程计算三维叶栅流

发展了基于微元中心有限体积方法,采用雷诺平均N-S方程求解三维叶栅流动的程序,特别注意了格式中人工粘性的加法;程序采用Baldwin-Lomax模型。格式经过平板层流及湍流流动的校验,层流与Blasius解、湍流与实验经验公式及Wilcox的计算值符合很好,最后以Goldman涡轮导向器为例进行了叶栅流动计算校核,结果符合于实验以及Chima等人的计算。      

强制偏流喷管的数值仿真

采用薄层Ｎ－Ｓ方程成功地求解了强制流喷管内的三维复杂流场,对通量项和压力项用Ｖａｎ Ｌｅｅｒ发展的矢通量分裂法进行了离散,对离散方程采用线超松弛方法迭代求解,在亚音速与超音速气流共同存在的出口边界分情况进行了处理。计算结果验证了强制偏喷管具有自动补偿外界压力变化的能力,与实验结果基本吻合。     

燃气源复杂通道三维冷流数值模拟

采用两方程RNGκ-ε湍流模型,通过非结构网格上的SIMPLE算法,对某远程火箭弹控制系统燃气源复杂通道内流场进行了冷流数值模拟,获得了通道内各气流参量的三维分布,了解了燃气源内各处特别是控制气流流经的迷宫形多层导热套环结构内的气流流动特性,计算结果与实验结果基本吻合。     

涡扇发动机燃烧室三维冷态流场的计算

论述了某型号涡扇发动机带甩油盘燃烧室从建模到流场计算的整个过程,对半折流式环形燃烧室进行了冷态流场三维流动数值模拟,运用先进的数值计算软件,模拟甩油盘旋转甩油的过程,数值计算得到了燃烧室的速度场、总压恢复系数的分布以及燃油分布情况。为燃烧室的热态流场计算和燃烧室的设计、反设计及改型奠定了基础。     

固冲发动机三维内流场数值计算与应用

利用三维隐式有限体积ＴＶＤ格式求解Ｎ－Ｓ／Ｅｕｌｅｒ方程组,数值模拟固体燃料冲压发动机（ＳＦＲＪ）突扩燃烧室、补燃室和喷管的统一内流场,研究了从亚声速到跨声速到超声速的整个工作过程,揭示了ＳＦＲＪ内复杂的流场结构,并与试验进行对比研究,数值结果与试验吻合很好。     

三维加力燃烧室湍流流场的数值模拟

采用SIMPLE方法,对涡扇航空发动机加力燃烧室内无化学反应的湍流流场进行了数值模拟。该加力燃烧室带有波瓣型混合器,并有多个环形稳定器及径向稳定器。湍流模型采用kε双方程模型。湍流流场数值计算结果合理。     

固体火箭发动机燃烧室三维流场数值模拟

利用ＳＩＭＰＬＥ方法数值求解层流Ｎ－Ｓ方程,模拟了具有移动边界的固体火箭发动机燃烧室内的三维流场。网格划分采用交错网格技术,流场计算时不进行网格划分,而是直接读取网格点的值,将网格划分与流场计算分开,解决了现有计算机内存不够的问题,计算获得了满意结果。