基于非定常面元/黏性涡粒子法的低雷诺数滑流气动干扰

针对太阳能无人机螺旋桨滑流与机翼的气动干扰,考虑了低雷诺数流动下气体黏性和压缩性影响,并根据黎曼边界条件和涡量等效原则建立了能够快速计算分析螺旋桨-机翼气动干扰的非定常面元/黏性涡粒子的混合方法。首先使用有试验数据的风洞模型以及数值模拟技术对混合方法进行验证,在此基础上研究了不同安装位置与工况下螺旋桨与机翼的气动干扰。结果表明:螺旋桨对轴向气流的加速以及滑流诱导的上洗和下洗效应使机翼气动力呈现出增升增阻的现象,机翼升阻比有所下降。较大的弦向间距以及较高的垂直安装位置在减缓机翼升阻比下降的同时也使得螺旋桨拉力有所减小。对于多个螺旋桨的气动干扰,不同的桨叶旋转方向导致机翼气动力不同的变化规律,当旋转方向与机翼翼尖涡反向时,螺旋桨滑流能够抑制翼尖涡的强度,提高机翼气动效率。     

飞机螺旋桨低噪声多学科优化设计与试验验证研究

为进一步降低飞机螺旋桨气动噪声,针对飞机螺旋桨开展综合考虑气动、噪声和结构强度的低噪声多学科优化设计与试验验证。采用基于涡格法的升力面理论进行螺旋桨气动性能计算,基于Hanson频域远场噪声计算方法进行螺旋桨远场噪声评估,2种计算方法都通过与试验对比验证精度,由此组成螺旋桨气动-噪声联合算法;以桨叶沿叶高分布的弦长、安装角和侧掠为设计变量,充分考虑桨叶结构强度对设计变量的约束,以螺旋桨推力、效率不降低和远场噪声降噪最大为优化目标;优化桨叶通过了离心载荷试验、气动载荷试验、动态特性试验等强度试验;在气动声学风洞内完成了气动与声学性能验证,优化螺旋桨相比原始桨气动性能基本保持不变,优化螺旋桨在设计工况的1阶离散分量处的远场气动噪声峰值降低2.7dB,较小推力下降噪量最高可达4dB,2阶离散分量处也有明显的降噪效果。提出的方法同时满足气动、噪声和结构强度要求。     

后排转子直径对对转螺旋桨气动和声学特性的影响

基于非线性谐波法和声类比模型，研究了不同后排转子直径对对转螺旋桨气动特性和噪声的影响规律。首先，利用单排螺旋桨风洞试验结果验证了数值计算方法的可靠性。随后，以某型对转螺旋桨为研究对象，研究了6种具有不同后排转子直径的对转螺旋桨模型。研究发现，对转螺旋桨后排转子直径“裁剪”会降低后排螺旋桨的拉力系数和功率系数，但对效率的影响不明显。随着后排转子直径的减小，前排转子的叶片通过频率下的噪声几乎没有变化，但高阶噪声变化幅度较大。后排转子减小0.25倍直径，后排转子的叶片通过频率下的噪声降低约为9 dB。后排转子直径“裁剪”不仅可以降低后排转子噪声，在一定程度上也可以降低前排转子的噪声。通过叶片“裁剪”，对转螺旋桨气动噪声降低5~6 dB。对转螺旋桨后排转子直径的减小，减弱了对转螺旋桨叶尖涡干涉和尾迹干涉，并减弱了前后排桨叶的势流场干涉，进而降低了对转螺旋桨的噪声辐射。     

叶片式涡流发生器对压缩拐角流动分离的控制

采用基于k-ω湍流模型的雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程方法,研究了叶片式涡流发生器（VG）对于马赫数Ma_∞=2.9时24°压缩拐角边界层分离的控制作用。计算结果表明：叶片式涡流发生器诱发的流向涡,是控制拐角处边界层分离的主要因素,流向涡强度越大控制效果越好。流向涡增大了主流与边界层内的动量输运,沿壁面法向速度型更加饱满,并使得压缩拐角处的二维分离转变为三维分离,改变了激波边界层干扰的结构,分离区长度减小了39.68%。相比于相向旋转,同向旋转叶片式涡流发生器改善了分离区内的压力分布,分离区总长度减小量相当,但分离点距转折点处的长度更短,且系统阻力增量更小。对于相向旋转叶片式涡流发生器,后缘高度增大,分离区总长度减小,系统阻力增量先减小后增大;相向旋转叶片间距越大,分离区总长度越小,系统阻力增量越大;同向旋转叶片间距越大,分离区总长度越大,系统阻力增量越小。高度对叶片式涡流发生器诱发的流向涡强度起主要作用,异向与同向叶片间距的影响较小。     

大叶尖间隙下叶栅性能数值模拟

利用NUMECA软件对某线性叶栅的三维流场进行了数值模拟,对比研究了小叶尖间隙和大叶尖间隙时叶尖泄漏涡流的形成和发展,探讨了叶尖间隙大小对叶栅流场和气动性能的影响。研究表明,随着叶尖间隙的增大,叶尖泄漏射流发展成为叶尖泄漏涡,涡流范围不断增大,涡流强度增大趋缓,涡流使得气流偏转减小。从小间隙逐渐增大到大间隙,总压损失与叶片载荷均增大,而在大叶尖间隙时,总压损失增加并不显著,叶片载荷增大趋缓。其结论为进一步揭示叶尖间隙涡流的流动机理以及工业燃气轮机的优化设计提供了参考。     

侧风条件下地面涡来源和气动特性的数值研究

为了研究侧风条件下地面涡的涡量源和地面涡的气动特性,选取缩比进气道并对侧风条件下的流场进行了数值模拟。结果表明:90°侧风条件下,尾涡和环境涡量都是地面涡的重要来源,即使不存在环境涡量,尾涡仍然可以单独形成地面涡,尾涡-地面涡流动模型能够很好地解释这一现象。地面涡涡量随来流速度的增加先增大后减小,临界速度比随离地间隙的增大而增大。离地间隙增大一倍,临界速度比增大65%,地面涡涡量峰值减小30%。受到地面涡本身以及流动分离的影响,进气道的总压损失随着来流速度比的减小而增大。      

单排孔吸气诱导的层流边界层流场数值研究

结合单孔吸气感应的边界层三维流场的特点,使用Fluent求解器,数值模拟了单排孔吸气感应的三维层流边界层流场,研究了孔间距及吸气参数对流场结构的影响。结果表明：在孔间距为2倍孔径的条件下,纵向涡会相互作用形成一个周期性脱落的＂马蹄涡＂;在孔间距不小于5倍孔径的条件下,孔尾部都会形成类似＂牛角＂形的反向旋转纵向涡对;在孔间距为10倍孔径的条件下,吸气速度的增加以及位移边界层厚度的减小都会使得纵向涡的涡量峰值增大、涡核的间距增加以及涡核中心的距壁高度增大。该研究结果可为吸气层流流动控制的工程应用提供计算参考。     

涡与涡以及涡与附面层之间相互作用的试验研究

涡由叠合式三角形涡流发生器产生。对涡与涡之间的相互作用研究表明,反向旋转涡之间相互作用使得相邻涡之间向上或向下速度增加。同向旋转涡之间相互作用造成相邻涡的干扰,使涡变弱。对涡与附面层之间的相互作用研究表明,涡改变了附面层的速度分布,使附面层内层速度分布饱满,减小了附面层形状因子。附面层对涡的作用使得涡的耗散大大加快,涡量减小,涡核半径变大,涡的有效作用距离减小。      

桨间距对某型共轴对转螺旋桨气动性能的影响

为掌握共轴对转螺旋桨的桨间气动干扰规律，降低桨间气动干扰强度，提升共轴对转螺旋桨的气动性能，基于非定常雷诺平均Navier-Stocks方程耦合湍流模型的计算方法，并使用了滑移网格技术，研究了4种不同桨间距的6×6构型对转螺旋桨的桨间气动干扰对其气动性能的影响，桨间距选择了4种不同方案。研究结果表明：在4种不同的轴向桨间距中，当桨间距为0.25倍螺旋桨直径时，共轴对转螺旋桨的平均推进效率最高，并且气动干扰导致的效率脉动幅度较小；随着桨间距的增大，前、后排桨受到的气动干扰强度都会减小，相比于后桨，前桨因气动干扰造成的脉动对桨间距更加敏感。可见共轴对转螺旋桨的桨间距会对螺旋桨的气动干扰，及气动性能产生较为明显的影响，在设计共轴对转螺旋桨时选择合适的桨间距，有利于提高螺旋桨气动性能。     

偏角对螺旋桨气动性能影响的数值分析

基于滑移网格模型,通过求解三维非定常N-S方程,数值模拟了螺旋桨侧飞状态时的运动过程,仿真研究了侧偏角对螺旋桨气动性能的影响。主要结论有:由于螺旋桨轴向速度随着偏角的增大逐渐减小,所以螺旋桨轴向拉力随着偏角的增大逐渐增大,螺旋桨的侧向阻力随着偏角的增大逐渐减小。桨叶上的分离区域随着偏角的增大逐渐增大,当偏角为0°、30°、60°时,桨叶上分离涡的尺度随着桨径的增大逐渐增大,当偏角为90°时,分离涡的尺度随着桨径的增大逐渐减小。     

桨尖与壁面间隙对涵道螺旋桨气动性能的影响

基于滑移网格模型,通过求解三维非定常N-S方程,分析涵道螺旋桨力学特性和流场分布规律,研究了桨尖与涵道壁面距离,对涵道螺旋桨气动性能的影响.随着桨尖与壁面距离的增大,涵道内桨叶背风面压力逐渐增大,迎风面压力变化不大,使得螺旋桨拉力逐渐增大;涵道内壁面桨盘前低压区压力增大逐渐增大,桨盘后高压区压力逐渐减小,使得涵道附加推...     

涡流发生器对高负荷扩压叶栅性能影响的机理分析

为探明涡流发生器流动控制技术对高负荷扩压叶栅性能影响及作用机理,根据高负荷扩压叶栅的流动特点,提出了在叶栅入口端壁处加涡流发生器的流动控制方案,通过计算研究了采用涡流发生器前后叶栅气动性能、附面层及主要旋涡结构的变化。研究结果表明:采用涡流发生器后,叶栅正攻角下的气动性能显著提升,总压损失减小,静压升增大,稳定工作最大正攻角从3°增加至5°,其中在3°攻角下总压损失系数下降0.028,静压系数提升0.033;涡流发生器生成的尾涡阻挡端壁附面层由压力面向吸力面的横向迁移,使吸力面/端壁区域聚集的低能流体减少,改善了角区流动;采用涡流发生器后,通道涡、集中脱落涡和壁角涡减弱,角区分离得到抑制。     

螺旋桨安装效应对无人机气动特性影响

为解决某型飞翼布局无人机(UAV)带动力构型风洞试验最大升阻比相对无动力状态大幅下降的问题,采用计算流体动力学(CFD)方法对无人机无动力与带动力构型进行了数值模拟,数值模拟结果分别与无动力以及带动力风洞试验数据吻合良好,在此基础上深入研究了螺旋桨安装效应对无人机气动特性的影响。结果表明:推力螺旋桨与机身之间气动干扰产生的低压区致使阻力增加,从而导致飞机最大升阻比相比无动力状态下降了30.7%。针对无人机在推力螺旋桨影响下出现的最大升阻比下降问题,采用增大螺旋桨与机身之间距离的方法可以有效地消除机身后部出现的低压区,减小了阻力,提升了无人机最大升阻比。桨毂拉长方案在8°和9°迎角下最大升阻比分别提升了17.3%和15.4%。     

绊线对大子午扩张涡轮端壁的气动及传热性能影响研究

为了探究绊线对大子午扩张涡轮端壁边界层分离和马蹄涡的削弱效果,分析绊线对大子午扩张涡轮端壁传热特性的影响。对某1.5级涡轮应用SST湍流模型对端壁流动进行精细捕捉,并进行了气动和传热的有效性实验验证。结果显示：绊线减弱了叶片前缘驻点高压区,使得上端壁分离点位置提前;绊线增强了来自涡轮动叶的泄漏涡强度,但极大地削弱上通道涡;此外,中间位置绊线使得总压损失降低了2.28%。叶片前缘热负荷增加,Trip(5.3% E)绊线使得叶片表面热通量降低1.66%。大体上讲,绊线的引入减小了大子午扩张涡轮通道涡等二次流的影响,优化了大子午扩张涡轮的流场,降低叶片表面换热量。     

不同等离子体激励强度下气膜冷却特性的大涡模拟研究

为进一步改善燃气轮机叶片气膜冷却效果,采用大涡模拟(LES)方法对不同等离子体激励强度情况下的平板气膜冷却流场进行了数值模拟研究。结果表明:与无等离子体激励时相比,等离子体激励强度逐渐增至10时射流出口最大流向与法向速度分别增大了16%和7%左右,并移向气膜孔的尾缘,而气膜孔前缘附近的法向速度约减小了4%,从而减少了射流迎风面上冷、热气流的掺混;等离子体对气膜孔下游回流区的动量注入效应使得回流区内的流向速度增大,抑制了横流绕流分离旋涡的发展;等离子体气动激励削弱了肾形涡对的强度及其抬升冷却射流的能力,从而提高了气膜冷却效率,中心线气膜冷却效率随激励强度的增大而升高,当激励强度为10时中心线气膜冷却效率最大提高了55%。     

安装角对压气机叶栅气动噪声特性的影响

 基于大涡模拟(LES)和边界元方法对轴流压气机叶栅湍流流场以及流场诱导的噪声进行计算,在不同叶栅安装角下研究来流攻角和来流雷诺数对叶栅气动噪声产生、辐射的影响。研究表明:来流雷诺数不变时,同一安装角下,随着来流攻角从-5°~20°变化,叶栅监测曲线上的声压级先减小后增大,在0°来流攻角下声压级达到最小。安装角为45°时,外场总声压级随来流攻角的分布与30°安装角变化趋势相近。但安装角为60°时,总声压级的变化则明显变缓。在0°来流攻角下,总声压级比安装角为30°和45°时增加了近6 dB,但在其他正来流攻角下,变化并不明显。叶栅的最小声压值出现在弦线方向附近,安装角改变时,最小声压级出现的位置也不同。安装角不变,随着来流雷诺数的增大,叶栅表面的分离减小,损失降低。但叶栅表面的压力脉动随着来流雷诺数的增大而增大,使外场辐射噪声增加。     

涵道螺旋桨桨叶涡强度分布计算

本文依据开式螺旋桨理论 ,涵道后缘的库塔条件以及微元涡丝的诱导方程 ,建立了涵道螺旋桨叶片涡强度分布的计算模型并进行了数值计算。结果显示 ,涵道螺旋桨桨叶涡强度在桨尖处达到最大     

叶尖小翼对跨声速压气机转子变工况性能的影响

为了进一步揭示叶尖小翼对跨声速压气机转子气动性能的影响机理,利用数值模拟方法研究了不同叶尖小翼安装方式对跨声速压气机转子气动性能的影响,并在分析跨声速压气机转子不同转速时的流动失稳机制的基础上探讨了叶尖小翼的扩稳机理.研究结果表明:最大宽度的压力面小翼在100%,80%及60%设计转速下分别使得跨声速压气机转子失速裕度增加8.1%,17.4%和7.1%.100%及80%设计转速时,转子叶尖区激波/叶尖泄漏涡干涉及泄漏涡破裂后产生的阻塞区是影响跨声速压气机转子内部流动失稳的关键因素.压力面小翼的扩稳机制在于降低了叶尖泄漏流强度,减弱了激波/叶尖泄漏涡干涉的强度,减小了叶尖泄漏涡破裂后产生的阻塞区.60%设计转速时,转子叶片吸力面气动过载导致的大面积的分离流动是诱发该跨声速压气机转子失稳的主要机制,此时压力面小翼的扩稳机制在于降低了转子叶尖来流的等效攻角,减弱了转子吸力面附面层三维分离的程度.      

应用改进的平行压气机模型预测旋流畸变对压气机性能的影响

为预测旋流畸变对压气机性能的影响,采用改进的平行压气机模型探究了常见的整体涡和对称涡旋流畸变下压气机性能参数的变化。改进的平行压气机模型利用平均线模型获得输入进口条件下压气机各级的特性,将得到的级压比和温比等参数传递给平行压气机模型进行求解,进而得到完整的压气机特性。结果表明:同向整体涡作用下,压气机工作点压比降低,稳定裕度增大;反向整体涡使得压气机压比增加,稳定裕度减小;对称涡使得压气机压比降低,稳定裕度减小。以10°旋流为例,同向整体涡下压比的最大降幅达到15.2%,反向整体涡下压比的最大增幅为13.3%,对称涡下压比的最大降幅仅为4.6%。     

等离子体气动激励复合横向槽结构提高气膜冷却效率的数值研究

基于横向槽结构和等离子体气动激励的新型流场调节方法,采用RNG k-ε湍流模型,数值计算分析了常规圆形孔、带横向槽以及带等离子体气动激励等不同气膜冷却结构的流场特性、温度场特性和冷却效率,揭示了等离子体激励器复合横向槽新型气膜冷却结构的冷却机理及规律。结果表明:圆形孔气膜冷却结构,气膜孔出流与主流混合强烈,在流场中形成了肾形涡对,冷流被逐渐抬离壁面,热流被卷吸到冷流下方,壁面的冷却效果最差;冷流经过等离子体激励器的气动激励后,产生了反肾形涡对,使得肾形涡对的平均涡量减小了42.64%,同时诱导冷流贴壁流动;横向槽的存在使得气膜孔出流在展向分布更宽,更贴近壁面,肾形涡对的强度较弱;在横向槽和等离子体气动激励的共同作用下,反肾形涡对的强度最大,使冷流的展向分布区域更大并贴近壁面流动。与圆形孔气膜冷却结构相比,在吹风比M=1.0下,带等离子体激励器、带横向槽和"等离子体激励器+横向槽"等三种气膜冷却结构的全局平均气膜冷却效率分别提高了181.6%,73.5%和200.5%。