预旋系统稳态和非稳态计算对比研究

针对预旋系统由于旋转引起流场和温度场参数周期性瞬态变化的问题,分别采用滑移网格的瞬态法和固定转子相位的稳态法进行数值求解,并在稳态计算中通过改变转子相位来近似模拟非稳态问题的时空变化特性。通过稳态空间平均结果与非稳态时均结果的对比,以期为预旋系统非稳态问题的低成本求解提供方法依据。结果表明：稳态计算结果与非稳态计算结果相比,周期性波动频率一致,接受孔进口处,稳态计算的压力波动幅度小39%左右,温度波动幅度小15%左右;多个相位的稳态空间平均结果与非稳态时均结果相比,压力高0.2%,温度低0.1%;采用多个计算周期数与单个周期的非稳态计算结果差异微小。当采用喷嘴出口气流中心正对接受孔迎风面前缘的转子相位时,稳态计算结果与非稳态计算时均结果最接近。     

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.      

三维铸件定向凝固过程模拟Ⅱ——非稳态定向凝固过程边界元解

定向凝固过程可分为两个阶段即为抽拉前的稳态过程和抽拉后的非稳态过程,此部分用边界元法对三维瞬态过程进行了数值模拟,给出了定向过程中的热源及温度分布特性。     

飞机燃油箱热分析研究

为了预测飞机燃油箱燃油温度在飞行过程中的变化情况,基于热网络法建立了飞机燃油箱非稳态热分析模型。该模型考虑了油箱内部的换热问题,同时又考虑了燃油箱壁面与外界环境间的对流换热、辐射换热以及气流的气动加热问题,将燃油箱热分析的边界扩展至燃油箱外。采用Matlab/Simulink软件实现了飞机整个航程内燃油箱系统的热分析研究,并将热分析计算结果与飞行测试数据进行了对比。结果表明,计算结果与飞行测试数据吻合良好,最大误差不超过3.2℃。     

液体火箭发动机非稳态燃烧过程对其稳定性的影响

基于模型分析了由非稳态燃烧过程引起的不稳定热释放这一激励源项对稳定性的影响,探讨了相应的激励机理。采用小扰动分析方法,将一维层流预混火焰燃烧模型方程分解为稳态和非稳态两类控制方程,建立了线性增长率中燃烧释热项的计算方法,获得了温度及释热量的空间分布,探讨了初始温度及比热比变化对其影响规律。结果表明:采用高能推进剂的燃烧系统具有相对较低的稳定性,而对于同一种推进剂,比热比的增加会导致稳定性对频率的敏感程度增加,且具有明显的频率选择性。      

非稳态流体网络模拟新方法及其应用

推导了一种新的非稳态流体网络模拟方法应用到流体系统沿程温度、压力、流量的非稳态特性预测中.本方法将流体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,应用压力修正和微积分方法相结合的综合方法进行模拟.程序应用到NASA的推进剂压缩模型中,并与经验关联式和NASA的程序模拟结果进行了对照,结果吻合地较好,证明了程序的可行性,验证后的程序被应用到航空发动机冷却流路模拟中.      

非稳态单喷口射流控制扩压器内边界层的分离流动

对扩压器内单喷口射流产生的流向涡控制扩压器内部边界层分离流动行为进行了研究。研究的对象是一个扩张角为10°的二维扩压器,扩压器进出口面积比为1∶4.7,入口高度为15 mm。采用数值计算方法研究了当射流出口速度为非稳态时对分离流动的影响。给出了不同时刻,不同截面上的旋涡涡量分布。结果表明,采用非稳态喷射流向涡方法可以在不改变主流流量特性的情况下,有效地减小分离流动区域。     

后台阶三维缝隙气膜冷却的非稳态数值模拟

为了进一步深入了解涡轮叶片尾缘冷却结构的气体流动情况及冷却特性,在原有稳态计算模型的基础上建立了非稳态的计算模型,研究了不同吹风比下(0.5,2.0)的出口壁面冷却效率的分布情况。计算结果表明:(1)非稳态效应使得出口下游的湍流度增大,非稳态时均冷却效率的计算结果比稳态的要低一些。(2)吹风比为2.0时,二次流对出口附近流动起决定作用,并且冷气的横向掺混充分,主流二次流的上下掺混缓慢;吹风比为0.5时,主流与二次流的上下掺混剧烈,非稳态的计算结果在出口肋后附近的冷却效率比稳态结果有所提高。(3)非稳态的计算结果比稳态的计算结果更接近实验结果。     

不良导体导热系数实验降温数据处理讨论

以数据分析和绘图软件Origin为例,对稳态法测量不良导体导热系数实验中计算散热盘在稳态温度的降温速率进行了计算机辅助处理过程介绍。对软件辅助处理过程中的散热盘降温曲线拟合依据进行了原理推导。基于牛顿冷却定律,推导得知冷却降温时物体的温度T与时间t之间遵循幂级数多项式形式,因此计算机软件辅助处理进行降温曲线拟合时,采用多项式拟合。一般情况下,拟合时多项式的阶数选择2阶便可满足结果精确度要求。     

热沉式超燃冲压发动机非稳态热-结构分析

为了评估热沉式超燃冲压发动机非稳态热-结构特性,初步发展了数值模拟方法。将AHL3D计算的超燃发动机三维内流场结果作为输入条件,然后通过参考焓法得到热环境数据,最后将发动机流道的热环境数据和压载数据输入到热/力响应有限元计算程序。通过对地面试验发动机的非稳态热分析计算结果表明,数值模拟方法适用性较好;沿轨道飞行发动机在发动机点火前机体最大温度可达825 K,喷涂绝热涂层能够降低机体温度;发动机机体的应力和位移随着时间的增加而增大。     

飞机电子设备冷却系统流量分配比特性的理论证明

从理论上证明了已确定的电子设备舱电子设备冷却系统流量分配比与部流量和飞机飞行高度无关的这一特性;并给出了试验结果。可大大简化以往用来模拟不同飞行高度状况的繁琐试验,从而可节省大量人力、物力、资金和能源,同时其试验周期也可缩短。     

吸气式发动机试验中空气流量的计算

为降低吸气式发动机试验中空气流量测量的计算误差，分析三种常用的测量空气流量计算方法的基础上，提出了可压流温比修正算法和无方法误差的程序计算法，分析了各种方法的适用范围和方法误差。同时，提出了空气湿度、直接加热污染和管壁受热等对物性参数和管径的修正方法。结果表明，程序计算法没有误差，在高超声速飞行的模拟试验中尤为适用；可压流温比修正法可以在工程上代替程序计算法，在广阔的压比和来流总温条件下，其方法误差可以忽略。     

转静系盘腔转盘风阻温升实验

采用红外测温技术对转静系盘腔转盘风阻温升特性进行了实验研究,利用高速旋转实验台测量了不同流动参数以及转静间隙比下转盘各半径处的壁面温升,并研究了径向出流处增加封严环对于转盘温升量的影响.同时通过CFD数值模拟得到转静系盘腔内流动特点.结果表明:由于风阻引起转盘温升量实际上就是转盘的绝热壁温与环境温度之差,并能通过红外热像仪准确测量.针对无封严开式转静系,转盘温升量主要受到旋转影响,仅在小转静间隙比时,通流的变化才会影响风阻温升.总体上,转静间隙比的改变对转盘温升影响不大.与封严转静系对比可知,在湍流参数较小的情况,封严环的引入会使转盘温度有所升高.      

燃烧室空气流量分配试验方法模拟分析与优化

为了明确当前燃烧室流量分配试验采用的堵孔法的合理性,按照某单管燃烧室流量分配试验的实际流程进行数值模拟,分析了试验本身存在的方法误差和根源,据此提出了采用堵孔法和单侧积累式堵孔法相结合的优化试验方法,并进行了数值模拟验证。结果表明:采用堵孔法进行流量分配的测定存在一定的方法误差,该方法对火焰筒头部的测定影响较小,而对主燃孔、掺混孔和气膜冷却孔的测定影响相对较大,主要原因在于未同时考虑被测孔排及其下游孔排的过流条件;采用堵孔法和单侧积累式堵孔法相结合的方式进行流量分配测量,能够大幅度降火焰筒上主燃孔、掺混孔和气膜冷却孔的测量误差,降低幅度分别达到约6%、12%和9%,效果明显;试验方法优化前后,火焰筒上各孔排进出口截面的静压差的改变是试验方法误差一直存在的根本原因,但方法优化后这个压差的变化量及对测量结果的影响较优化前都更小。      

Numerical investigation of windage heating within shrouded rotor-stator cavity system with central inflow

The rotating disk surface temperature rise due to windage heating effect by numerically modeling the turbulent flow within a rotor-stator cavity which is available with a peripheral shroud and imposed through airflow was dealt with. The windage heating may be defined as viscous friction heating caused by relative velocity differences across the boundary layers between the fluid and the rotating disk surface. The kinetic energy dissipation process could transform the rotating shaft power into thermal heating. Commercial finite volume based solver, ANSYS/CFX was employed to numerically simulate this physical process by using the shear stress transport (SST) turbulence model. CFD results include the rotating disk surface temperature axial distribution and tangential velocity distribution of the fluid domain. The velocity difference between the result obtained by particle image velocimetry (PIV) experiments and CFD simulation are within 5%. The adiabatic disk temperature rise can be calculated by the tangential velocity of disk and fluid in large gap ratio and turbulent parameter. CFD temperature distribution results and those estimated via velocity differences are within 10%.     

Novel DSC-IPM for Compact Converters at Elevated Temperatures

A novel two-side cooling for integrated power modules (IPMs) for improved compactness and capability for elevated temperature operations is presented. This approach applies and improves off-the-shelf products of IPM without significantly changing original packaging and fabrication process. It can reduce a device's p-n junction-temperature rise by 20% at an equivalent load, thus increasing operating ambient temperatures, which is desirable for aircraft applications. The size and volume associated with a conventional cooling mechanism can be reduced, achieving improved compactness and power density.     

一维和二维电热除冰相变传热特性的参数影响分析

基于飞机电热除冰过程冰层融化的特征,开展了一维和二维电热除冰相变传热特性数值计算研究和参数影响分析,重点考虑了加热模式、冷却时间、加热功率和加热单元间隔等参数对冰层相变传热的影响。采用了基于焓-多孔介质方法的热焓模型,将计算区域看作是包括多层材料和冰、水及其混合区的多孔介质,采用了结构化网格拓扑结构对计算区域进行划分,采用了有限体积方法对控制方程组进行离散,采用线性插值的方法获得混合区的物性参数,耦合能量方程和液态水体积分数公式,迭代求解了计算域的温度分布,获得了不同材料间界面温度的变化,重点分析了冰-保护层界面的温度变化。基于二维电热除冰模型的冰-保护层界面温度不均匀特征,提出了耦合考虑冰-保护层界面热点和冷点温度的冰脱落温度判断准则。研究表明:高功率的周期性加热模式要优于低功率的连续性加热模式,采用合理的冷却时间和加热功率,可获得更低的能量消耗和更好的除冰效果。合理设置加热单元间隔可以提高周期性的除冰效率,但也会形成冷点和热点,造成冰-保护层界面温度分布的不均匀。冰-保护层界面的冷点类似于锚点,即使此刻热点的冰已经融化,整个冰层也无法脱落和剥离。因此,冰脱落的判断要耦合考虑界面热点和冷点的温度特征。      

CFRP电流辅助铆接的连接域热响应建模与验证

钛合金铆钉变形时易不均匀、易开裂,在碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）铆接过程中引入脉冲电流作用,软化铆钉并改善其塑性。研究了连接域内的热响应机制与温度场分布,基于能量守恒、焦耳热定律、热传导定律构建了静态焦耳热模型表征稳态换热铆接工况下的CFRP温度,考虑铆接过程电流波动、温度分布不均和热区域分散性建立了动态温度场模型预测铆接过程温升。结果表明：CFRP孔周一定辐射半径范围处温度与钉中心温度线性相关,模型准确模拟出了40 s内的过程温度。静态模型在11%误差以内精准预测了中心饱和温度,动态模型模拟的温升趋势与实测温度值吻合较好。热量传递的滞后性使得动态模型对快速温升时的温度预测存在误差,该误差随电流密度变大而增加,最大达17.15%。接头损伤评估表明过程温度控制在150℃内时可获得质量合格的铆接接头。     

基于高温热管的超燃燃烧室热防护结构

提出了基于先进热管理思想的燃烧室热防护结构.面板采用腔体式平板高温热管,实现面板等温化,降低局部高温区的温度;在热管腔体内部设计燃油冷却通道,实现对超燃燃烧室面板的燃油主动冷却.对其各项性能进行了数值分析,给出了设计参数对系统性能的影响规律,并完成了结构样件研制及石英灯试验考核.典型设计状态下,其单位面积质量为无氧铜面板的35.4%,高温合金面板的38.2%.石英灯局部加热条件下,面板最高温度为1123K时最大温差为80K.相比于传统燃油冷却方式,该型防热结构能够有效提高超燃发动机燃烧室热防护的整体性能,是超燃发动机热防护的一种重要概念.      

篦齿封严风阻温升特性研究

篦齿封严风阻温升效应引起的热负荷对航空发动机涡轮叶片冷气系统有着重要的影响。采用理论分析、数值计算与实验相结合的方法系统地研究了篦齿封严的风阻温升特性。首先,对篦齿封严风阻温升特性进行了理论分析,设计搭建了篦齿封严风阻温升特性实验台,建立了基于RNG（Re-Normalization Group） k-ε湍流方程的篦齿封严风阻温升数值求解模型。然后,研究了篦齿封严流场特性、泄漏特性和风阻温升特性,并将理论计算、数值仿真与实验测试结果相互对比分析,研究了压比、转速等因素对篦齿封严风阻温升特性的影响规律,揭示了篦齿封严的风阻温升效应产生的机理。结果表明：高低齿篦齿封严结构减弱了篦齿封严的透气效应,增强了篦齿封严的动能耗散,有利于降低篦齿封严的泄漏量;在所研究的工况下,转速低于2 000 r/min时,风阻温升效应较小,转速在2 000~6 000 r/min时,风阻温升随转速的升高而增大,温升值最高可达12.87 K;压比的增大会加强气流的对流换热,转速为6 000 r/min时,压比从1.1增加到1.3,温升值下降了7 K左右;风阻温升产生的主要原因是流经封严间隙的黏性气流与高速旋转的转子相互摩擦产生热量,气流吸收这部分摩擦热导致温度升高,转子转速越高,风阻温升效应越强。所研究的篦齿封严风阻温升特性为航空发动机内通道气流热负荷分析提供了理论依据。