隔离段内正激波串受迫振荡特性研究

为了解隔离段在真实燃烧室反压作用下的工作特性,通过数值方法模拟燃烧室振荡燃烧引起的脉动反压,在来流Mai=2条件下,探讨了脉动反压引起的激波串受迫振荡特性。结果表明,在反压脉动条件下,激波串前缘位置周期振荡,其振荡频率与反压脉动频率一致,振幅与反压脉动频率负相关,反压脉动频率600Hz时,振幅仅为管道长2.97%;就抗反压能力而言,在反压脉动条件下,隔离段能承受比定常状态更大的反压峰值,且脉动频率越大,可承受瞬态反压峰值越大。激波串的受迫振荡包含两种形式:激波串整体位置的前后运动和激波节之间的相对运动。在一定程度内,反压脉动频率较低时(50Hz,100Hz),激波串整体位置的前后运动是主要的受迫振荡形式,激波节之间的相对运动很弱;随反压脉动频率升高(300Hz,600Hz),激波节之间的相对运动加剧,逐渐成为激波串受迫振荡的主要形式。另外,在激波串振荡过程中,激波串往上下游运动经过同一位置时,激波串形态会出现迟滞,这是导致总压恢复系数迟滞的原因。     

模型燃烧室中值班火焰稳定器的燃烧不稳定性研究

针对值班火焰的燃烧不稳定性问题，通过试验得到了不同当量比工况下的火焰结构、压力脉动信号和热释放脉动信号。对脉动信号进行傅立叶分析，获得了脉动信号的频率和振幅。结果表明，随着当量比增加，火焰形态发生变化，燃烧室内发生了164Hz三阶模态向109Hz二阶模态的转换。对火焰平均结构、火焰瞬态结构和火焰正交分解（POD）结果进行分析后发现，漩涡脱落频率和燃烧室某一阶声学模态耦合是维持燃烧不稳定性的机理，耦合的强弱和漩涡脱落的尺度大小决定了热声振荡的振幅大小，火焰形态的变化导致热释放中心位置的变化是引起模态转换的机理。     

同心旋流分层预混火焰的动力学模态分析

为了探究同心旋流分层火焰的不稳定燃烧问题,需要对火焰的动态脉动特性进行分析。采用高速摄像捕捉了自激和外激条件下同心旋流分层预混火焰的CH*化学发光动态图像,利用动力学模态分解(DMD)方法研究其主导脉动模态,提取出了相关模态的空间形态和脉动幅值,证明燃烧组织方式的改变会对火焰脉动的形态和规律产生影响。研究发现:模态分解可以反映分层旋流火焰的动态响应特征,并能解析脉动空间结构,验证火焰形态和外激频率对火焰动态响应的影响,其规律和火焰传递函数结果符合,且在分层比0.5～2内提高分层比使释热中心转移到预燃级和主燃级的剪切层内,300Hz～400Hz释热脉动将加强。验证了DMD方法适用于处理分析复杂分层旋流火焰的脉动特征,可为燃烧振荡控制提供参考。     

隔离段内激波串受稳态和脉动背压影响的数值研究

本文基于非稳态雷诺平均的Navier-Stokes方程,探究在来流 条件下隔离段内激波串在稳态背压、脉动背压与隔离段自激振荡共振状态下的振荡特性。结果表明：隔离段激波串的自激振荡频率受稳态背压大小的影响,激波串在9倍和10倍来流静压的稳态背压条件下会产生频率分别为506Hz和454 Hz的自激振荡,且激波串前缘位置呈周期振荡。 在脉动背压条件下,激波串运动受脉动背压和自激振荡的共同作用,产生多个主导频率;当脉动背压振荡频率与自激振荡频率相近时,激波串运动达到共振状态,主要体现在激波串振幅的增强,振幅大小可以达到管道长度的33.5%,而受到100Hz的低频脉动背压影响时,振幅大小为管道长度的24%;同时共振状态下隔离段内上游的压升较受100Hz低频脉动背压影响的受迫振荡状态更高;出口脉动背压的相位变化对共振状态下激波串运动振幅几乎没有影响,表明激波串的自激振荡可能存在“自适应”特征,能匹配激波串受迫振荡的相位变化。     

反压条件下离心喷嘴动态特性实验

喷嘴动态特性的好坏,对液体火箭发动机燃烧稳定性具有重要意义。但由于缺乏高效的外部周期性脉动流量发生器,特别是在高反压环境下,引起管路来流较强振幅的压力、流量脉动变得更加困难。为解决上述问题,研制了利用惯性驱动可在高反压环境下产生强正弦信号的脉动流量发生器,在高反压环境下可激起高达15%以上的压力振幅;通过采用电导法测量离心喷嘴液膜厚度,从而获得脉动流量,分别在反压为0.5、1.0和1.5 MPa的环境下对其不同脉动频率下的动态特性进行实验研究,研究表明：反压的增加对离心喷嘴流量脉动具有抑制作用。对连续的喷雾图像进行互相关处理得到其不同反压环境下的脉动速度场,结果表明：随着环境压力的升高,其喷雾场速度传递函数振幅呈下降趋势,与反压对喷嘴传递函数的影响规律一致。     

钝体绕流有旋流中回流区与进动涡核的大涡模拟

针对旋流数为0.57、0.68、0.91和1.59四种工况下的悉尼旋流燃烧器的冷态流场进行了大涡模拟,选取动态Smagorinsky涡黏模型作为亚格子尺度的湍流模型,研究不同旋流数下的流场结构、进动频率和进动涡核。模拟结果表明,旋流数为0.68时,钝体回流区长度最短。随着旋流数的增加,中心射流出口的旋流剪切层不断衰减,而下游的旋流剪切层不断增强。功率谱分析表明,进动现象的出现和消失对应于与旋流剪切层的增强和衰减;中心射流与下游区域具有不同的进动频率,表明流场中存在着两个独立的大尺度涡旋结构。不同取值位置的周向速度相关性分析进一步佐证了两个涡旋结构的存在。轴向位置70 mm处的横截面上瞬时流线和压强分布证实了下游流场存在着进动涡核。瞬时压强等值面显示了中心射流出口和下游流场进动涡核的三维螺旋形结构。下游流场的进动涡核均与平均速度场流线在空间上成正交关系,表明进动涡核是由剪切层Kelvin-Helmholtz不稳定性产生。     

小波的尺度离散化与稳定性研究

在使用小波变换重构信号的应用中,为了计算处理方便及克服冗余性,常采用离散化处理。为确定均匀点格动态采样网络下的尺度采样间隔的取值及其与小波稳定性的关系,本文分别用Morlet小波和Marr小波对信号进行均匀离散小波变换。对于Morlet小波,其尺度采样间隔有一个取值区间,在这个区间内取值既能分析数字信号的最高频率及避免频谱混叠,又能保证小波的稳定性;而对于Marr小波,其尺度采样间隔的取值不能同时保证分析数字信号的最高频率和维持小波的稳定性,即稳定性与频率选择性是一对矛盾,但在二进抽取采样下选择适当的尺度伸缩因子可缓解这一矛盾。     

分层旋流燃烧器冷态流场的大涡模拟

针对旋流数为0.25,0.45和0.79三种工况下带有中心钝体的分层旋流燃烧器的冷态流场进行了大涡模拟(LES),选取动态Smagorinsky涡黏模型作为亚格子尺度的湍流模型,研究旋流强度对钝体回流区、涡旋破碎和进动特征的影响.模拟结果与实验结果符合得较好.模拟结果表明:3个旋流数下钝体回流区的大小没有明显改变,轴向长度都约为20mm.Q准则用来显示涡旋结构,结果表明螺旋涡产生于旋流剪切层的Kelvin-Helmholtz不稳定性;增大旋流强度,涡旋破碎发生的位置向上游移动.功率谱密度(PSD)表明流场出现进动特征,进动运动沿流向逐渐衰减;旋流数为0.45和0.79时,钝体回流区末端出现进动特征;3个旋流数下,进动频率都约为78Hz.     

非对称来流下隔离段动态压力特性

为了探讨非对称来流下矩形隔离段内动态压力特性,用直联实验方式以及动态压力测量技术进行了试验,并用统计分析方法分析了数据。实验结果表明,入口来流的非对称性对上下壁面压力脉动大小以及传播平均速度有较大影响,而对频率无多大影响。激波串区域内壁面压力脉动向下游传播比向上游传播衰减得快。在隔离段出口超声速条件下,观测到的压力脉动频率主要在70 Hz以下,而在出口亚声速条件时,压力脉动的频率不仅有70Hz以下的部分,而且还有100~200 Hz之间的部分。     

转子叶尖端壁失速特性试验研究

为了研究转子叶尖端壁的失速特性,对一台单级低速轴流压气机进行了节流特性试验,采用转子叶尖端壁弦向布置动态压力传感器的方法测得了整个节流过程的动态压力信号,并对其进行壁面压力谱分析及均方根压力脉动分析。结果表明:压气机逼近失速的过程中泄漏涡的轨迹及触发点的位置逐渐向转子前缘移动,失速时泄漏涡轨迹从邻近叶片通道的转子前缘溢出;压气机向深度失速逼近的过程中失速团的周向尺度增大,退出失速的过程中周向稳定为两个失速团,其周向尺度逐渐减小但失速团的转动频率保持不变约为30Hz,并在退出失速前3个转子周期两个失速团合并为单个失速团。     

二元高超声速进气道不起动状态的信号特征及预警

 对高超声速进气道的不起动进行了研究,首先给出了某二元高超声速进气道由起动到不起动全过程的壁面压强信号历程,并利用短时傅里叶变换(STFT)和小波变换(WT)方法对不起动过程中壁面压强信号的时-频特性进行了分析,然后采用累积和(CUSUM)和最大似然比(GLR)变化检测算法,对高超声速进气道的喘振现象进行了预测。研究结果表明,高超声速进气道喘振发生时,壁面压强信号的时-频特性存在显著改变,能量谱密度(PSD)分布出现了有规律的集中,其基频在200～340 Hz范围,并随着堵塞度(TR)的增加而增加。另外,在喘振发生前,进气道收敛段的下壁面附近存在大尺度的分离包,其有规律的尺度变化和前后移动导致了明显的壁面压强脉动特征,因此可作为一种前兆来预测喘振现象的出现。在本文条件下,两种变化检测算法均可在大喘发生前约220 ms发出警报,表明了该喘振预警思路的可行性。     

模型预混燃烧室燃烧不稳定性研究

针对钝体火焰稳定器结构的模型预混燃烧室的燃烧不稳定性现象进行了实验研究和数值模拟.实验中利用动态压力传感器测量了不同当量比时燃烧室内动态压力的频率和振幅.结果表明:随当量比增加,不稳定性频率从251Hz增加到258Hz.不稳定性振幅与大气压力比值从2.7%增加到6.1%.对燃烧室进行了定常和非定常数值模拟以及声学模态分析,得到了周期性旋涡脱落的频率为260Hz和燃烧室系统的前5阶本征声学模态频率.其中第3阶纵向声学模态频率与实验值基本一致,说明维持不稳定性的机理为钝体火焰稳定器后旋涡的周期性对称脱落和燃烧室系统的第3阶纵向声学模态形成了耦合.     

耦合热、动载荷的超超临界汽轮机迷宫密封动力特性

密封汽流激振严重影响超超临界汽轮机的安全运行,采用DEFINE_CG_MOTION和DEFINE_PROFILE控制宏建立转子的涡动方程,通过Workbench流固耦合方法计算热、动载荷下密封齿形变,根据快速傅里叶变化得到机组运行时的密封动力特性,并对转子稳定性进行分析。结果表明:蒸汽可导致密封齿膨胀变形,温度对密封齿长度变化影响可达1%~1.5%,压力和离心作用对其影响较小。热、动载荷使迷宫密封直接刚度减小,直接阻尼先增加后减小,交叉刚度先减小后增加,动力系数的最大变化为原来的2倍。35~55 Hz内转子稳定裕度急剧下降,转子对密封汽流激振更敏感。热、动载荷引起的压力波动集中在低频范围,密封周向压力波动可增高18.5 kPa。密封高压区的压力波幅剧增是汽流激振显著的主要原因。      

宽频高幅值水力激振信号的产生与控制

为了研究火箭发动机全尺寸泵后供应系统的动力学特性,运用脉动压力发生器设计了一种宽频水力激振系统,开展了液流试验和数据分析。结果表明:水力激振系统可以在0~1200Hz的频率范围内,产生时域幅值超过1.5MPa、高信噪比的压力脉动信号,达到了宽频率范围、高激励幅值的目的。通过对电动机转速的控制实现激励频率的可控变化,以满足不同频率激励策略的要求。提高管路系统的入口稳态压力,可以提高激振信号的幅值。通过合适的局部流阻分布,可以在宽频范围内提高水力激振信号的幅值,提高信噪比。      

复杂截面高层建筑角对角布置的气动干扰机理研究

基于两栋角对角布置、横截面复杂的实际超高层建筑的刚性模型测压风洞试验数据,分析了综合体型系数以及风压系数分布特性,详细讨论了建筑间的气动干扰机理。研究结果表明,两栋塔楼在气流方向上串列布置时,其间可能产生恒定的旋涡,使得上游建筑背风面和下游建筑迎风面的平均风压都表现为较高的负压,上游建筑的平均风荷载会大大超过单体建筑的情况;两栋塔楼在气流方向上大致并列布置时,建筑两侧可能产生周期性的旋涡脱落,导致横风向响应的均方根值较大。此外,建筑的等效静力风荷载以平均风荷载为主,且建筑的自由振动频率远远大于气动力的卓越频率,脉动风荷载以背景分量为主而共振分量较小,这使得结构刚度的增加无法显著降低建筑的等效静力风荷载。     

流量调节器管路系统自激振荡特性研究（液体火箭推进专刊）

流量调节器管路系统在小流量大压降工况下会出现低频自激振荡现象,为了深入认识自激振荡产生机理,结合某型自稳流型流量调节器及管路系统,基于流量调节器弹簧振子动力学模型开展数值仿真研究。数值仿真得出自激振荡频率为94 Hz,与发动机试验结果一致。自激振荡产生机理是流量调节器的液动力受滑阀窗口型面变化率影响对系统形成正反馈作用,流量调节器综合刚度小于零时系统失稳。分析了流量调节器结构参数对系统稳定性的影响作用,三角形滑阀节流口流通面积能够抑制管路系统自激振荡。结合某型流量调节器负载特性试验系统进行验证,得出随着流量调节器压降升高,管路系统稳定性变差,获得的幅频特性,稳定边界与试验结果一致。     

周期节流扰动下激波串振荡流动的数值模拟

基于动网格方法数值模拟并分析来流马赫数为6，二元进气道/隔离段构型在频率为50～500 Hz周期节流下的激波串振荡流动。结果表明：当节流比在0.2～0.32范围内周期变化时，隔离段出现与节流频率相同的激波串振荡现象。节流频率会影响激波串振荡幅度和壁面压强波动特性。50 Hz与100 Hz工况的激波串流向振幅相近，100～500 Hz范围内随频率增加，流向振幅从15.5 mm减小至10.8 mm。壁面压强随频率的变化规律更加复杂，以凹腔中部为界，其上游壁面压强时均值、均方差峰值整体随频率增加而降低，其中50 Hz工况唇口侧壁面压强均方差峰值可达21倍来流静压，但其下游壁面压强无明显规律。分析表明节流频率对激波串振荡的影响与节流扰动的传播时间相关，工程设计中需综合考虑构型与反压参数对激波串振荡的影响。     

基于实验的发动机插板式进气畸变压力谐振分析

某型涡扇发动机插板式进气畸变实验中,当插板升高到35%以上,进气截面各个测点畸变扰动出现约为32 Hz大幅振荡.用气流压力波动方程计算了进气道容腔谐振频率为34 Hz.表明该谐振是由插板与发动机之间的容腔引起的.不同转速和流量下,计算和实验的结果都基本稳定.由分析可知:150 Hz以下脉动压力是大幅稳定和周期性的.高频部分主要是小幅随机压力脉动,其速率和加速度变化比较剧烈.在发动机喘振前,谐振频率压力振荡能量大大增加,其它低频和高频成分能量迅速减少,形成典型的谐振型压力振荡.      

高频高速流体振荡器工作特性

设计了一种新型高频高速流体振荡器,并采用热线风速仪、高频动态压力传感器等测量手段,对其频率-压力响应特性、速度-压力响应特性及内部压力传播特性进行了实验研究。结果表明:设计的流体振荡器工作频率约为900 Hz,进出口压比为2时,其出口射流速度范围为75~239 m/s。建立了振荡周期/频率与内部尺寸的关系式,验证了振荡器内部的压力传播与反射机制,并用压力的作用机制解释了射流偏转的两个阶段,为今后设计不同流动条件下所需的流体振荡器提供了设计思路。