旋转部件复杂表面水滴撞击计算

为模拟旋转体结冰问题的过冷水滴运动及撞击过程,基于欧拉方法及单旋转坐标系模型,建立了三维旋转水滴运动模型,并提出了相应的数值求解方法。采用单旋转坐标系对空气及水滴两相流动过程进行处理,通过引入惯性力,将惯性系下的周期转动边界转换为定常流动边界;利用欧拉方法,使用单向耦合形式描述空气—水滴流场;在单旋转坐标系下,向控制方程内引入科里奥利加速度及牵连加速度,进行非惯性系下欧拉方程的修正,从而描述水滴运动过程;采用有限容积求解器对空气及水滴运动的控制方程组进行求解,通过引入源项定义单旋转坐标系下的惯性力,得到空气流场及水滴场的速度、体积分数分布,进而得到表面水滴撞击特性。采用上述方法对旋转帽罩与叶片模型进行算例分析,结果表明所建立的旋转水滴计算方法有效,对比静止状态表面的结果,旋转对帽罩的水滴撞击特性影响甚小,而对桨叶存在显著影响;由于帽罩具有中心对称的特性,因而旋转带来的切向速度变化对其水滴撞击特性影响不明显;桨叶表面水滴收集系数随旋转角速度增大而增大,同时收集系数在表面的分布会向迎风方向偏移,较大的角速度对应了更为显著的收集系数增幅与偏移现象。     

发动机进气帽罩防冰热载荷的数值模拟研究

对某发动机进气帽罩防冰热载荷的计算方法进行研究。利用FLUENT软件对帽罩周围的流场进行模拟,同时采用FLUENT中的离散相模型计算帽罩周围的水滴运动轨迹,得到帽罩表面的水滴撞击效率;利用数值计算结果及流动换热经验关系式分析帽罩表面的各项热流,获得该发动机帽罩的防冰热载荷。计算中还比较了不同湍流模型对防冰热载荷的影响。     

旋转帽罩电加热防冰瞬态过程研究

基于欧拉两相流理论,对旋转帽罩水滴撞击特性进行了数值模拟,提出了旋转部件表面对流换热计算方法,并基于改进Messinger结冰模型开发了旋转帽罩电热防冰计算程序,对旋转帽罩瞬态防冰过程进行了数值模拟研究.结果表明:旋转运动对旋转帽罩表面对流换热起到增强作用,且在供给相同加热热流密度时转速越大,防冰表面温度越低;防冰系统启动阶段,旋转帽罩表面会发生结冰和冰脱落现象,考虑结冰过程后系统的响应时间缩短;当电加热功率相同时,周期电加热防冰方式更为节能;当电加热能耗相同时,周期电加热方式系统响应更快.     

旋转帽罩结冰相似准则的研究

为了研究航空发动机旋转帽罩结冰相似理论,在静止部件结冰相似准则的基础上,忽略次要因素的影响,建立了一种适用于旋转帽罩的结冰试验相似准则。利用建立的旋转结冰相似准则,通过数值模拟方法,对旋转帽罩缩比前后的水滴收集特性和结冰冰形进行了误差分析,并对此准则的可靠性进行评估。计算结果表明:用建立的相似准则所确定的参数对于全尺寸旋转帽罩转速分别为1kr/min和5kr/min时进行数值模拟。在全尺寸旋转帽罩及其1/2缩比模型上的对应区域得到的水滴收集特性和结冰冰形,误差约为2.7%和5.3%,表明选取缩比参数的方法是可靠的,并且提出的相似准则是有效的,对结冰风洞试验的理论研究和参数选取有一定的参考价值。     

航空发动机旋转帽罩结冰表面换热系数研究

旋转帽罩表面的对流换热系数是结冰、防冰研究的重要参数,旋转帽罩结冰模拟中对流换热量和蒸发量都需要已知对流换热系数。为了获取旋转帽罩表面的对流换热系数,采用数值模拟对旋转帽罩结冰表面的对流换热系数进行了研究。首先验证了网格与计算方法的合理性和可靠性,在此基础上,对影响表面换热的因素进行了分析,计算了不同转速、来流速度、来流温度对锥角40°,锥高176mm的旋转帽罩表面换热系数的影响。结果表明:锥尖区域,来流速度的影响与转速影响相比占主导;除锥尖外的其他区域,转速对换热系数的影响占据了主导地位;来流温度对整个表面的换热系数均有影响。采用不同工况下的数值模拟结果,在锥尖区域建立了来流雷诺数与努赛尔数之间的关联式;在除锥尖外的其他区域建立了旋转雷诺数与努赛尔数之间的关联式。     

蛇形进气道影响下发动机进口部件水撞击特性的数值研究

为了了解亚声速蛇形进气道影响下航空发动机进口段迎风表面处的水滴撞击特性,采用欧拉/欧拉法对蛇形进气道和发动机进口段在来流马赫数为0.3及环境温度为266.5K的大气结冰条件下进行了空气/过冷水滴两相流场的计算,再由已获得的水滴流场进行支板表面水撞击特性的计算。整流罩表面水滴的撞击计算时采用插值的方法将原两相流场的计算结果插值到新生成的整流罩的近壁网格处,之后采用新生成的整流罩面网格进行水撞击特性的计算。通过计算获得了发动机进口结冰参数、支板以及整流罩表面水收集系数的分布。计算结果表明整流罩和支板表面水滴撞击的主要区域与进气道的弯曲方向有关且位于其下表面一侧,最大水收集系数达到0.98。与之相对比的整流罩和支板其他区域的水收集系数则显得非常微小,在数值上约等于0。此外,对于与进气道对称面平行的竖直支板,其与机匣相交的区域存在水收集系数为0遮蔽区。     

调节角度对整流支板水滴撞击特性的影响

基于欧拉-拉格朗日法计算空气-水滴两相流场,获得了表面水滴撞击特性及撞击量,并对可调整流支板(调节角度0°和30°)的水滴撞击特性进行研究。计算结果表明:无论偏折角为0°还是30°,支板前缘处都有水滴收集,且沿着弦长方向局部收集率呈越来越小的趋势;而30°支板在偏折处也有水滴收集。同时分析了马赫数、液态水含量、水滴直径对水滴撞击特性的影响,随着来流马赫数、水滴直径的增大,水滴收集系数、撞击水量和撞击极限都是增加的;而随着液态水含量的增加,水滴收集系数和水滴撞击极限是不变的,而撞击水量却是增加的。     

发动机旋转表面水滴撞击特性数值研究

介绍了发动机旋转机械内部过冷水滴轨迹的三维数值计算方法,阐述了旋转坐标系下气流及粒子的运动规律。采用ANSYS-CFX软件及其粒子输运模型,对某发动机风扇转子叶片外围空气及水滴流场进行了数值模拟。利用水滴的速度矢量、撞击区域等参数表征水滴的撞击特性,获得了转速、水滴直径等对风扇叶片表面水滴撞击特性的影响:水滴撞击区域集中在风扇叶片迎风面叶盆侧,且水滴撞击区域随着转速的增加而减小;水滴在叶片表面的撞击范围随着水滴直径的增大而减小。     

水滴撞击特性的粒子统计法研究

基于水滴撞击特性研究的拉格朗日方法,提出了适合于考察非定常情况的粒子统计法.通过统计非定常流场中不同时刻撞击在防冰表面上不同区域的粒子数,获得防冰表面上粒子浓度分布随时间的变化情况,与基于染色法水滴撞击试验获得的色度分布具有直接对应关系;采用基于染色法的动态图像测量方法对某型发动机帽罩缩比模型开展了水滴撞击特性试验,对所提粒子统计法进行了验证.基于拉格朗日方法的粒子统计法获得的计算结果与试验结果符合较好,与采用拉格朗日轨迹法获得的结果具有较好的一致性.粒子统计法所模拟的物理过程与试验过程一致,在处理湍流随机性和来流液态水含量分布不均等方面具有优势.     

水滴撞击特性的数值计算方法研究

 对水滴撞击特性的数值计算方法进行了研究。在对防冰部件流场进行计算的基础上,通过对水滴所在单元的判断和单元内流场速度的插值求解以及水滴运动轨迹计算边界的判断,采用差分法对水滴运动方程进行了数值求解,得到了水滴运动轨迹,从而确定了水滴的撞击极限、总收集系数和局部水收集系数等水滴撞击特性参数,为飞机防冰系统的设计奠定了基础;此外,以发动机进气道的水滴撞击特性的计算为算例,研究了飞行高度、飞行速度及水滴半径对水滴撞击特性的影响。     

瞬态法测量高转速旋转盘表面传热系数

将实际发动机涡轮盘冷却系统简化为中心进气旋转盘,用瞬态实验的方法对该结构的换热特性进行了研究.以高转速旋转换热实验台为基础,建立了转静系盘腔中瞬态换热的实验流程和数据处理方法,得到了转盘表面的努塞尔数,并研究了流量系数、旋转雷诺数和出气间隙比对努塞尔数的影响.研究结果表明:对于中心进气冷却结构,在转盘低半径处,转盘表面的表面传热主要由冷气冲击控制,随着半径的的增大冲击对换热的影响减弱.转盘表面的努塞尔数随冷气流量系数的增大而增大,随旋转雷诺数的增大而增大,随出气间隙比的增大而减小.      

基于旋转多圆柱的冰风洞水滴参数分析方法

阐述了基于旋转多圆柱测量仪的冰风洞水滴参数分析方法.对二维圆柱的水滴撞击特性进行了计算分析;对二维旋转圆柱的霜状冰结冰过程进行了数值模拟;根据水滴参数对旋转圆柱结冰量的影响, 结合数学逼近的方法, 编制了由旋转多圆柱测量结果分析计算冰风洞水滴参数的软件, 最后用国外试验数据对软件分析结果进行了验证, 结果表明:计算方法正确, 可以实现冰风洞水滴参数快速测量.      

旋转半受限单孔冲击局部换热特性实验

利用热膜法测量局部换热系数Nu,对旋转条件下半受限冲击射流的换热特性开展了实验研究.通过改变冲击雷诺数Re(20 00035 000)和旋转数Ro(00.003 441)等参数,讨论了旋转状态对半受限单孔冲击换热特性的影响.实验结果表明:旋转显著影响了冲击靶面的局部换热系数分布规律.在实验工况范围内,靶面局部(平均)Nu数均是先随着旋转数Ro的增加而增强,后又随着旋转数Ro的增加而减小.实验中还观察到同静止情况相似,旋转条件下半受限冲击射流的冷却效果也是随着冲击Re的增加而不断提高.      

旋转受限层板中隔板对层板流动换热的影响

采用数值模拟的方法,研究了旋转受限层板结构中隔板对层板中冷却气体流动换热的影响机理.结果表明:隔板结构能够有效地提高层板的换热能力,旋转受限层板比不受限横流冲击层板的Nu高18%,比不受限横流冲击出流层板的Nu高15%.隔板导热条件下比绝热条件下的层板的Nu提高10%~15%.在旋转受限层板中,冲击孔靠近旋转中心一侧换热能力随着旋转数的增加而降低,冲击孔远离旋转中心一侧换热能力随着旋转数的增加而增加.旋转的加入,可以有效地降低靶面上由于隔板的加入而导致的高温区的温度,旋转受限层板更适用于涡轮动叶.     

旋转条件下“冲击/出流”双层壁内部换热实验

以高效航空发动机涡轮叶片内部冷却为研究背景,在旋转条件下对带气膜出流的双层壁内部冲击换热特性进行了研究.实验在旋转与冲击方向相同和相反两种情况下进行,得到了冲击雷诺数Rej(5 000～10 000)、旋转数Ro(0～0.003 532)、无因次温比(Tw-Tf)/Tw(0.061～0.136)的变化对冲击靶面换热特性的影响规律;通过对"双层壁"的实验结果与常规"冲击/气膜"冷却结构的实验结果的比较发现,在不同的流动和旋转状态下,前者换热能力强于后者15%以上.      

Experimental research on rotating detonation with liquid hypergolic propellants

This paper describes experimental research into the initiation and propagation of rotating detonation for liquid Nitrogen TetrOxide (NTO) and liquid MonoMethylHydrazine (MMH). An annular rocket-type combustor without nozzle was designed to investigate detonation combustion. The propellants were injected through unlike impingement injectors. The combustion flame fronts and pressure waves were detected using optical diagnostics and dynamic pressure sensors, respectively. The propagation of rotating detonation was established spontaneously by increasing the mass flow rate of propellants. The velocity of propagation of the flame fronts and pressure waves was nearly equal and reaches supersonic speed. Two different detonation combustion patterns are present, single wave mode and double waves mode. And in double waves mode, the two detonation waves are always counter-rotating. The possibility of rotating detonation initiation in a combustor with nozzle was also checked. Stable rotating detonation can be initialized and sustained at similar operating conditions.     

考虑遮蔽区影响的旋翼三维水滴撞击特性计算新方法

针对直升机旋翼三维黏性流场特有的复杂环境,建立了一种基于欧拉法的旋翼三维水滴撞击特性计算的新方法。首先,在旋翼桨叶嵌套网格的基础上,发展了一套用于预测旋翼绕流流场的计算流体力学(CFD)模拟方法。然后,为克服传统直升机旋翼二维水滴撞击特性计算方法的不足,充分考虑旋翼流场的三维效应,在嵌套网格中基于欧拉法求解旋翼三维水滴撞击流场。其中,为解决尾流等区域的密度脉冲现象所引起的稳定性和收敛性问题,提出并建立了遮蔽区扩散模型。该模型通过判断遮蔽区变量,在计算域中动态生成遮蔽区域,并随迭代步数逐渐扩散。最后,通过与NACA0012翼型及国外UH-1H桨叶的试验和计算结果的对比,验证了旋翼三维水滴撞击特性计算新方法的可靠性,并进行了温度和水滴当量直径(MVD)对旋翼三维水滴撞击特性的影响分析。结果表明:遮蔽区扩散模型的加入,使二维情况的计算时间减少了22%,并增加了三维情况的计算稳定性,显著提高了旋翼三维水滴撞击特性的计算效率;沿着旋翼桨叶展向位置增大的方向,旋翼桨叶剖面水滴撞击范围有所增大,最大水滴局部收集系数呈先增加后减少再增加的变化趋势,其变化幅度接近50%;旋翼桨叶表面的水滴撞击区域和水滴局部收集系数随水滴当量直径的增加而增加。     

冲击+逆向对流+气膜冷却传热特性的研究

为了研究火焰筒壁面冲击+逆向对流+气膜复合冷却方式的传热特性, 设计了6种不同几何结构的实验件, 搭建了实验台, 采用红外热像仪对其传热特性进行了研究.结果表明, 冷却效率随吹风比的增大而增大;在气膜出口与冲击位置之间, 气膜冷却效率沿主流方向不断增加, 在相同的冷却壁面处, 冷却效率随冲击位置距气膜出口的增加而减小;越过冲击位置, 冷却效率随壁面位置的增加而减小.在冷却壁面的任一位置, 冷却效果随冲击间距的减小而增大.      

航空发动机帽罩热气膜防冰的加热特性

针对复合材料帽罩采用的一种热气膜防冰系统,采用计算流体力学方法研究了其内部冲击换热和外部气膜加热效果。发展了二维轴对称计算方法并与全三维计算结果进行了对比,搭建了热气吹风实验台,利用红外测温仪和热电偶测量帽罩温度,验证了数值计算方法。全面研究了不同射流雷诺数、相对冲击距和气膜缝结构参数对热气加热特性的影响,结果表明:增大射流雷诺数有利于提高内部冲击换热效果和外部气膜加热效果;最佳相对冲击距随射流雷诺数的增大而增大,射流雷诺数为10000~40000范围内最佳相对冲击距在5~8内取得;气膜射流能大幅提高缝后外壁面温度,加热效率与气膜缝宽和位置有关,前缘开设的气膜缝还会提升前缘冲击换热效果。