基于相对流面理论的液体火箭发动机泵内部流动计算

应用相对流面理论对某液体火箭发动机离心泵内叶轮机械部件的内部流动进行计算和分析.流面的求解采用流线曲率法.根据不同部件内的流动数值模拟编制了模块化计算程序,使各部件的计算相对独立.不同部件之间采用混合平面法进行处理,将非定常问题转化为定常问题,简化计算.黏性的影响通过几种损失系数进行修正.数值计算的结果显示诱导轮和离心叶轮增加了液体的压强,而导流通道主要改变了液体的流动方向,这与理论分析一致      

高旋转数内冷通道换热实验技术及验证

通过内冷通道换热理论分析及实验系统优化,获得了使内冷通道内气体压力保持在500kPa以上的高旋转数实验技术.旋转数和雷诺数的范围分别为0~2.08,104~7×104,极大满足了旋转数与雷诺数同时覆盖真实发动机涡轮叶片工作参数的实验需求.证实了雷诺数和旋转数对内冷通道换热的影响可以解耦.而应用该实验技术进行同等旋转数实验时,内冷通道热损失占总加热量的比例和实验误差分别降低到18%和±10%.     

某型涡扇发动机起动和加速过程数值模拟

借助国内外涡扇发动机过渡态数值模拟研究的最新成果,开展了某型涡扇发动机起动加速过程的数值模拟研究。首先参照风机和泵类机械低转速部件特性相似理论,结合指数外插法,成功地发展了航空燃气涡轮发动机低转速部件特性扩展方法和计算程序;其次,基于燃气涡轮发动机部件匹配原理,写出描述部件内动态流动过程的三个基本方程：动量守恒方程（功率平衡方程）、流量连续方程和能量守恒方程;最后发展了具有一定计算精度的涡扇发动机起动加速过程的数值计算模型和程序,对某型涡扇发动机的起动和加速过程进行了数值分析,并与试验数据进行了对比分析。结果表明,给出的数值计算结果与试验数据具有较好的一致性,表明发展的模拟涡扇发动机起动加速过程的数学模型和程序是合理的。     

小功率电弧喷射发动机的数值计算

为详细了解电弧喷射发动机内部工作过程和相关工作参数对其性能的影响，参照实验用发动机的工作参数建立了模型，数值模拟了电弧喷射发动机工作通道内流场和电磁场。利用NND格式求解耦合电磁源项N－S方程，Gauss-Seidel迭代加超松驰方法求解椭圆型电磁场方程，计算得到的发动机工作通道内流场、电磁场结构，与实验数据进行了对比。结果表明，对同一结构尺寸的发动机，随推进剂流量变化，发动机性能存在最佳值；在一定流量范围内，实验数据和计算结果相符。     

冰晶在涡扇发动机内相变换热特性

通过对低压压气机通道内气流参数的分析,结合冰晶的运动轨迹方程及相变传热传质方程的离散处理,计算分析了冰晶在涡扇发动机内涵通道内运动过程的粒子半径、冰晶温度、冰晶速度、冰水混合粒子中液态水质量分数、以及冰晶表面与低压压气机通道内气流的传热系数和传质系数沿压气机轴向距离的分布,得到了冰晶在低压压气机内涵通道内运动的轨迹及与叶片碰撞的特性。结果显示:20μm冰晶黏附位置处液态水质量分数为10.22%,而100μm冰晶在压气机出口处液态水质量分数仅为2.1%且不会在压气机内结冰。      

楔形肋片内冷通道传热与流动阻力特性

利用实验和数值模拟方法,分析了楔形肋片几何结构对仿螺旋肋片内冷通道强化传热与流动阻力特性的影响,并将模拟结果与实验数据进行了对比,两者结果吻合良好.研究结果表明,随着楔形肋片导流角的增大,通道的强化传热显著增强,但其流动阻力也明显增大;气流方向的不同对通道总体换热强度影响不是很大,但反吹时通道中的流动阻力却明显高于正吹;从内冷通道的综合换热效果来看,当楔形肋片导流角为7?且气流正吹时是最佳的肋片几何结构参数.      

冲压发动机进气道压力振荡过程的数值研究

针对来流马赫数3.5,0°迎角飞行条件下冲压发动机的简化模型,数值模拟了进气道整流罩开启过程的非定常流动。计算采用AUSMPW有限体积格式,基于结构与非结构的混合网格技术,求解了非定常N-S方程。计算结果表明,在进气道整流罩打开以后,超声速气流会在燃烧室通道内形成振幅衰减较慢的低频剧烈振荡。在同样计算条件下采用Euler方程进行对比性研究,数值实验发现对这类大雷诺数、强非定常性的问题,Euler方程和N-S方程得到的结果相差不大。     

下缘板孔对涡轮叶片尾缘内冷通道流动换热影响的数值研究

涡轮叶片下缘板出气孔对内冷通道的流动和换热性能有较大影响。通过数值模拟方法研究下缘板出 气孔对尾缘和下缘板双路出气涡轮叶片尾缘内冷通道内的流动和换热特性,对比分析孔径、孔形和孔位置对尾 缘溢流孔流量系数、尾缘出流比、尾缘通道内总压系数和尾缘内冷腔壁面换热特性的影响。结果表明:下缘板 出气孔孔径对流量系数分布的影响显著,孔径增大,尾缘溢流孔流量系数下降,尾缘出流比减小,尾缘内冷通道 内压力损失降低,内冷腔平均换热系数增大;孔形对上游内冷通道内流动和换热几乎没有影响;孔位置变化对 内冷通道壁面整体的换热系数影响很小,对局部影响较大。     

内冷通道横流条件下气膜冷却特性

为了研究内冷通道横流条件下气膜冷却的流动和换热特性,采用窄带瞬态液晶测量技术获得了内冷通道横流条件下吹风比分别为0.5,1,2时气膜孔下游冷却效率和表面传热系数云图,并通过数值模拟得到了气膜孔内及下游区域流场的详细信息.结果表明:内冷通道横流对气膜孔下游冷却效率和表面传热系数分布有重要的影响.横流增强了气膜孔射流的展向分布能力,增强了高吹风比时气膜冷却效果.另外,气膜孔下游涡的分布出现明显的不对称性,涡的结构更加复杂.      

肋片几何形状对仿螺旋肋片内冷通道流动与换热的影响

利用数值模拟方法,分析了仿螺旋肋片内冷通道在通道宽高比AR=2.9、肋高与通道当量直径比e/Dh=0.336、肋高与通道高度比e/H=0.5、肋片与轴面的夹角β=15°及雷诺数在1×104 to 2×105之间时,矩形肋片和楔形肋片对仿螺旋肋片内冷通道强化传热与流动阻力特性的影响。计算结果表明,仿螺旋内冷通道平均换热系数得到了明显的提高,但同时流动阻力也显著增加。在所研究的范围内,矩形仿螺旋肋片内冷通道的换热强化比要高于同等几何排列条件下的楔形仿螺旋肋片内冷通道,但其综合肋化效率要低于相同几何排列条件下的楔形仿螺旋肋片内冷通道。      

复合材料主动冷却薄壁燃烧室设计分析

通过建立流固耦合传热模型,对不同尺寸冷却通道的主动冷却薄壁燃烧室结构瞬态传热特性进行数值模拟,给出了主动冷却燃烧室的瞬态温度场分布及其演化.再采用有限元法计算燃烧室的热应力和应变,从而揭示了冷却通道几何参数及内部煤油体积流量对燃烧室薄壁结构最高温度和热应力的影响规律.计算结果表明:在充分发挥煤油冷却效果前提下,冷却通道距离燃烧室内壁距离越近,所需煤油体积流量越大,而燃烧室结构热应力在10s左右达到最大值,设计时应着重考虑这段时间内的材料性能.      

管道网络算法在涡轮内冷叶片换热计算中的应用

基于管道网络算法的概念,开发了适用于内冷通道换热计算的程序,耦合外流场求解程序HIT3D,以Mark II叶片实验工况5411的结果做验证,传热系数和温度的计算值与实验值有着较好的吻合.在此基础上,对某型高压涡轮动叶内冷通道的复杂流路,建立流体网络计算模型.对原型结构吸力面一侧叶顶新增一排气膜孔,并对前部和后部蛇形通道的两组相邻通道间新增连接起平衡作用的贯通孔各3个.改型设计和原型都用开发的管道网络程序计算流动和换热参数.结果显示:在入口冷气边界条件相同条件下,相对原型,改型设计最高温度和平均温度都有10K以上的降低,叶片吸力面局部高温区集中的状况改有所善.改型设计效果在CFX全三维模拟中亦得到证实.      

斜劈式翼型扰流柱冷却通道流动与换热数值研究

基于NACA翼型和斜劈式纵向涡发生器结构设计了一种新型斜劈式翼型扰流柱及其在冷却通道内的排布形式,采用数值模拟方法对含有该种翼型扰流柱的涡轮叶片冷却通道流动换热特性进行了研究,得到了流场和温度场的详细特征及含有斜劈式翼型扰流柱冷却通道的换热能力。分析结果表明:斜劈式翼型扰流柱有良好的强化换热效果。该翼型扰流柱的斜劈式结构可以在其尾缘后方形成持久而稳定的二次流纵向涡,有助于加强流场的扰动作用,从而增强通道换热能力。      

船舶推进器叶梢部流动PIV测试

利用2D-PIV（particle image velocimetry）技术在空泡水筒中对螺旋桨叶梢部流场进行了详细的测量。选用松花粉为示踪粒子,通过驱动轴轴编码器输出相位信号,经同步控制器控制CCD摄像及两激光器出光,解决了螺旋桨相位、激光器与CCD三者的同步控制与连续采集问题。轴向平面每一相位下均测量获得100幅瞬时速度矢量场,采用相位平均方法获得了同一相位下的平均速度场。比对了叶梢附近桨盘面前后流动的差异以及沿径向叶梢内外流场的不同,利用测试数据研究了梢涡、尾涡的结构。     

电动燃油泵驱动电机浸油冷却性能数值模拟

为了研究电动燃油泵驱动电机浸油冷却性能,基于冷却流体及电机各部件3维模型,充分考虑各部件发热功率以及材 料属性等物理量的影响,采用有限体积法对电机流-热耦合场进行模拟仿真,分析不同边界条件对电机流场和温度场的影响。结 果表明：在最大冷却燃油流量以及电机最高功率下,流道的压力损失和电机的最高温度均能满足电动燃油泵的运行要求;随着冷 却流量增加或燃油粘度的增大,流道的压力损失增大,且在最大冷却流量下,燃油粘度每增大1 mm 2 /s,压力损失增大约2 kPa;电 机功率和入口温度对电机各部件温度的影响较大,各部件温升与燃油进口温度近似呈线性关系,而环境温度对电机温度场影响较 小。研究结果为电动燃油泵电机浸油冷却流道的设计与优化提供了理论依据。     

径向冷却通道截面特征长度对气冷稳定器性能影响

通过研究径向冷却通道截面特征长度的改变对气冷稳定器的冷态流场、冷却性能及流动损失的影响,为其进一步的优化设计提供参考依据。采用经过实验验证的CFD方法,对某气冷稳定器进行了数值模拟研究,在所研究的特征长度范围内,结果表明:特征长度的增加,减少了径向冷却通道下部的进气阻力,使得风兜引气率增加了667%;下部出气孔出流由于受到回流涡的影响,出流量明显低于上部出气孔,特征长度的改变对出流量分布的影响不大;特征长度的增加会加强径向稳定器近环形稳定器处的外壁面冷却效果,但是会减弱径向稳定器近中心锥处的外壁面冷却效果;特征长度的增加,使得出口总压恢复系数下降了0.086%,沿程总压恢复系数曲线向下移动。      

湍流与通风器油气分离效率关系的回归分析

主要研究湍流强度对航空发动机轴心通风器分离效率的影响。采用计算流体力学（CFD）的方法对轴心通风器内部流场进行模拟,获得了内部流场的湍流强度等参数,并计算了通风器的油气分离效率。由于流场的复杂性,决定了很难得到分离效率受流场参数影响的规律。而相关性分析给我们提供了一种方法。应用线性回归理论对数据进行分析,得到回归方程。根据回归分析的结果可知,各组数据的分析结果均具有正相关性。通风器内腔段和通风管段分离效率随湍流强度的增加而不同程度增加。通风器内腔段分离效率受湍流强度影响明显,而通风管分离效率受湍流强度的影响不明显。所得结论可为轴心通风器结构优化提供参考。     

射流、旋流、出流共同作用下矩形通道换热特性

在放大模型上详细研究了不同雷诺数和出流比下涡轮叶片内冷通道中冲击靶面、出流面和冲击侧面的换热特性.采用热色液晶瞬态测量技术测量通道内部各个面的传热系数,得到以下结论:靶面直接受到射流的第一次冲击,射流形成旋流对出流面进行第二次冲刷,对冲击侧面进行第三次冲刷;靶面受到冲击孔射流的直接冲击,因此换热最强;冲击侧面只受到旋流、横流影响,因此换热最弱;冲击和旋流是通道各个面换热强化的主要原因;换热随雷诺数的增大而增强.出流比对各个面的换热分布及大小也有一定影响.