亚格子模型对泵喷推进器宽带非定常力预测的影响研究

为了研究亚格子模型对泵喷推进器非定常流动与宽带非定常力预报结果的影响,采用分块结构化网格建立了模型尺度下艇后泵喷推进器的计算模型,并进行了大涡模拟数值计算。从艇尾非定常流场特征量和推进器转子脉动载荷两个方面对比了三种不同亚格子模型计算结果的差异,并分析了泵喷内部流动与转子非定常力间的内在联系。研究结果表明：三种亚格子模型均能得到含有叶频宽带峰的轴向推力谱,且整体趋势相近。泵喷转子上游的湍流强度和尺度的分布对亚格子模型较敏感,其中Smargrinsky-Lilly模型得到的湍流强度较强,尺度较大,该模型下的湍流谱在非平衡区量级较大,但由低频向高频的衰减较快,并且预测到的分离区范围大,导叶尾缘脱落涡分散,导致转子上游来流空间分布不均程度较强。对于转子叶片上的载荷脉动,Smargrinsky-Lilly模型预测的推力谱中线谱成分明显,并且叶频处宽带谱峰“陡峭”,而WALE模型和KET模型的结果宽带特性较强,对比非定常推力测试结果可知,WALE模型和KET模型更适于该问题宽带非定常力预测。     

一款国外喷水推进器的三维反问题改进设计

某厂家购置的国外喷水推进器装艇后与主机不匹配,不能完全消耗主机功率,导致艇航速较低。针对这一现象,在保持推进器转子叶片数、导叶数和推进器主体尺寸不变的前提下,采用三维反问题方法对叶轮和导叶进行了增载设计。研究采用CFD数值模拟方法对两推进器进行了平底船数值求解,结果表明:原推进器计算结果与自航试验吻合较好,验证了CFD数值模拟的可信性;新设计推进器解决了原推进器不能充分利用主机功率的缺陷而产生更大的推力,使预报航速从9.5kn提高到12kn,喷泵效率提高2%,喷口射流轴向能量分量提高8%。     

来流条件对轴流喷水推进器性能的影响研究

高速舰船在实际航行过程中的来流条件十分复杂，为研究不同来流条件对喷水推进器性能的影响，以轴流式喷水推进器为研究对象，基于均相流模型、Zwart空化模型和SST k-ω湍流模型，对不同来流速度和来流角度条件下的喷水推进器进行了数值模拟，通过网格不确定度分析、数值与试验结果对比及误差分析验证了数值计算方法的可靠性，最终获得了不同来流条件喷水推进器推进性能和内流特性的变化规律。结果表明：随着来流速度增大，装置流量不断增加，扬程、推力和效率先增大后减小，在来流速度为5.6m/s时性能最佳。转速为2450r/min时，叶轮空化程度较弱，当来流速度v≥8.4m/s时，流量显著增大，冲角减小，叶片工作面流动分离增强，压力面开始出现空泡。来流角度增大对低来流速度工况喷水推进器性能几乎无影响，高来流速度工况则表现出推力、扬程和效率的急剧下降，来流角度从3°增加至7°时，推力、扬程和效率降幅分别高达13.8%,13.9%与8.3%。来流角度增大，各过流部件速度不均匀性增大，叶轮和导叶区域湍流耗散增大，叶轮进口冲角减小，压力面流动分离增强，做功能力下降，推进装置性能急剧恶化。     

导叶间隙不确定性对可调向心涡轮影响数值研究

为了评估可调向心涡轮导流叶片叶顶及叶根间隙尺寸不确定性对涡轮级性能的影响,首先将喷嘴环叶片大开度模型的单通道定常数值结果与实验数据对比;然后以导流叶片小开度涡轮为研究对象,数值模拟导叶两端叶顶间隙尺寸多种分配模型三维流场,总结出导叶间隙不确定性与涡轮级性能之间相应变化规律;最后选取导叶两端间隙平均分配模型和最优涡轮性能下间隙分配模型开展多通道定常/非定常计算,用于分析间隙分配变化对转静干涉影响。研究结果表明:当导流叶片轮缘侧间隙尺寸占全部间隙尺寸5%~15%范围时,涡轮级效率较高;当导叶间隙全部集中在轮缘侧时,涡轮效率较低;最高、最低效率差别约为6%。间隙泄漏流变化将引起下游转子叶片进口气流角发生变化,进而改变转子叶片吸力面前缘分离涡损失大小。此外,导叶两端间隙分配变化可以改变嘴环叶片吸力面激波强度,并通过诱发交变载荷变化方式影响转子叶片可靠性。     

气动非谐对叶片非定常气动激振力影响

为降低转子叶片在前排静子叶片尾流激振情况下的共振应力, 提高转子叶片疲劳寿命, 对静子叶片的气动非谐设计进行研究.对静子叶片的气动非谐设计考虑了两种方案, 一种为非均匀叶栅设计, 另一种为不对称叶栅设计.通过对静子-转子模型流场进行非定常计算, 比较了两种非谐设计思想下转子叶片表面气动激振力频谱成分和幅值大小.分析结果标明:非均匀叶栅非谐设计并不能降低转子叶片表面激振力, 同时会引起频率成分和幅值都较大的倍频成分;不对称叶栅非谐设计虽然会引起与转速同频的较大幅值激振力成分, 但从整体考虑可有效降低叶片振动应力.      

导叶冷却对涡轮级性能影响的数值研究

针对某高压燃气三维扭转涡轮导叶全叶身冷气射流进行了数值模拟,详细分析了在设计转速下改变冷气流量对叶片气动性能、冷却效率和叶栅通道损失的影响;对比分析了在冷气流量相同的条件下,改变转速对涡轮级性能影响.结果表明:不同冷气流量对导叶冷却孔附近区域的静压影响较为明显,而对下游转子的型面静压影响不大;导叶冷气射流对叶栅通道内主流气流角影响较小;冷气流量占主流流量由2.50%增加至6.25%,叶片绝热壁温降幅达11.19%,导叶叶栅通道总压损失和能量损失分别增加了12.95%和12.01%,而涡轮级功率和级效率分别降低了2.39%和1.51%.      

结构参数对带凸肩风扇静力学特性的影响分析

为研究结构参数变化对叶片稳态流场载荷的影响规律,通过数值求解方法开展不同转-静轴向间距和周向栅距工况下带凸肩风扇叶片的稳态流场计算。利用自行开发的插值程序将稳态载荷施加于叶片,分析叶片受力规律。基于稳态气动载荷和离心载荷,分析各工况下叶片的静力学特征。结果表明:随着上游静子与转子叶片轴向间距的减小,叶片受力和力矩增大。轴向间距减小3mm,周向力和力矩分别增大1.51%和1.48%;随着栅距的减小,叶片受力和力矩减小。转子叶片数增加两片,周向力和力矩分别减小6.26%和6.35%。     

斜流工况下泵喷推进器推进性能数值分析

斜流入水的现象在推进器的运行过程中广泛存在,会对推进器的水动力性能造成不利影响。为了分析斜流工况对泵喷推进器推进效率及流场造成的影响,采用分块网格技术,对泵喷推进器内外流场进行了结构化网格划分。基于RANS 方程,SST k-ω 湍流模型,对不同转速（n=3000,3600,4200r/min）、不同斜流角（β=0°,5°,10°,15°,20°,25°,30°,40°） 的泵喷推进器进行了数值模拟。数值模拟方法通过Ka4-70/19A导管桨进行了验证,计算值与实验值吻合情况良好。研究结果表明,小角度下,斜流角的改变对泵喷推进器的效率影响很小;斜流角大于20°时,斜流角增大将使推进效率明显减少,这是由于泵喷推进器内流场分布不均,出现了水流聚集区和分散区,降低了泵喷推进器的平衡性以及对流体的加速效果;斜流角越大,叶尖间隙对主流影响越大,造成的能量损失越大。     

压气机转子叶片叶尖流场的低速模化设计

针对带进口导叶的高速压气机第1级转子叶片的叶尖流场进行了低速模化设计,为后续的低速压气机叶尖流场损失和失速测试试验做了准备.利用叶片造型和数值模拟方法,以保证高、低速压气机转子叶片表面压力系数及叶片排进、出口主要气动参数分布相似为目标,对高速原型压气机进行低速模化设计,包括调整流道形状,对叶型进行反复迭代,并在进口导叶和1级转子叶片的造型设计上突破了几何相似的限制.最后,对高低速压气机的几何、气动参数和流场结构进行了全面的计算对比分析,证明采用所提出的低速模化设计方法是成功的,实现了在流量系数相同的情况下,加工量因子和转子扩压因子分别为98.16%,94.95%的相似度.      

前、后排叶片相对位置对串列转子性能的影响

在折合叶尖切线速度381m/s条件下,利用跨声串列转子技术实现了总压比2.25,负荷系数高达0.55的风扇转子设计。基于数值模拟结果,分析了串列转子前、后排叶片周向和轴向几何相对位置的变化对各自其整体性能的影响及原因。研究结果表明:前、后排几何相对位置的变化改变了后排叶片堵塞系数及其进、出的轴向速度和气流角,因而改变了速度三角形,导致了串列转子整体及各排叶片速度三角形及特性的变化;对于前、后排叶片最佳几何相对位置的选择,当后排叶片在前排叶片弦向上有0.1～0.15倍弦长的重叠时、后排叶片在周向上较为靠近前排叶片压力面时,串列转子能够获得较高的气动性能。     

风扇湍流宽频噪声特性的数值计算分析

基于Gliebe发展的风扇自噪声经验预测模型与Mugridge-Morfey发展的湍流-叶片干涉噪声分析预测模型,以GE公司R4风扇为研究对象,详细分析了风扇自噪声与转子尾迹湍流-出口导叶干涉宽频噪声(湍流干涉噪声)的特性.研究了不同的风扇设计参数和湍流参数对风扇自噪声与湍流干涉噪声的影响.计算结果表明:湍流干涉噪声对风扇宽频噪声起着主要作用,湍流干涉噪声比转子自噪声大约6~10dB,比出口导叶自噪声大约20dB.此外,出口导叶来流速度对湍流干涉噪声的影响最大,来流速度增大15%时,声功率可增大4dB左右.湍流强度对湍流干涉噪声影响较大,当湍流强度增加30%时,声功率增大约1.5dB.      

轮缘封严气体对涡轮转子性能影响的非定常数值研究(英文)

为了研究涡轮转静盘腔的轮缘封严气体对涡轮转子性能的影响,对其进行了详细的三维非定常数值模拟。通过与无盘腔模型比较,非定常结果显示交替进行的主流燃气入侵和封严气体出流改变了转子叶片进口的气流角度,拉伸了端壁附近的马蹄涡,因此引起涡轮出口流动条件的较大变化。存在涡轮转静盘腔但没有冷气时,主流导叶尾迹的部分流体入侵盘腔,对涡轮转子性能有正面的影响。封严气体与上游导叶尾迹的相互作用引起转子通道内熵增,当冷气量占主流流量的1.37%时,涡轮效率降低2.1%。证实了轮缘封严气体对涡轮转子性能有很大的影响,在涡轮设计中必须给予考虑。     

小型涡喷发动机整机流场数值模拟技术研究

为计算某小型弹用涡喷发动机流场,研究了针对涡喷发动机整机的建模、网格处理以及动态工作点确定等关键技术。通过复杂结构部件建模和拼接,建立了涡喷发动机整机流场计算网格,理论模型中考虑了叶轮流场、湍流和燃烧过程的模拟,并以作用转子上气动力矩为基础计算转子的转速。在通用计算流体力学（CFD）软件中,通过编写UDF程序构建了发动机流场的计算框架。结果表明：全机流场仿真技术为分析涡喷发动机工作过程提供了有力工具,同时揭示了几何建模的精度等因素对计算结果准确性有较大影响。     

多级压气机转子负荷系数对叶片非同步振动的影响

通过理论计算分析与试验研究，解释了核心机试验中调节叶片（VSV）异常偏关引起的转子叶片非同步振动（NSV）现象。首先对出现叶片振动的前1.5级压气机进行了全环非定常数值模拟研究。数值结果表明当第1级静叶安装角从偏关2°逐渐调节到偏关6°时，第1级转子叶片负荷逐渐增加，并出现明显的分离流动结构，该流动现象在转子叶片上产生非整数倍转频的压力脉动激励，这是典型的旋转失稳（RI）现象特征。为进一步研究旋转失稳诱发非同步振动与转子气动负荷之间的关联，在6级跨声压气机试验件上开展了系统性的计算与试验研究。通过二维通流计算评估了不同进口导叶/静叶（VIGV/VSV）角度下，第1级转子负荷随转速的变化规律。进而通过6级压气机试验，观察到当第1级静子叶片调整到偏关8°以及第1、第2静子叶片同时调整到偏关4°和偏关3.6°时，第1级转子叶片均出现了非同步振动现象。通过分析第1级转子叶片表面应变的频谱和机匣动态压力脉动的频谱，建立了二者的内在关联。明确了除叶尖径向间隙大外，可调导叶/静叶偏关同样会在转子叶尖形成高负荷，导致叶尖区域流动不稳定进而诱发叶尖旋转失稳现象。研究结果对于多级压气机的设计工作具有重要的...     

上下游叶排对压气机转子叶片气动弹性稳定性的影响

使用自行开发的流固耦合程序集,分别考虑压气机上下游叶排的影响对转子叶片气动弹性稳定性进行分析.使用全环气动弹性模型通过叶片在非定常流场中振幅随时间的变化历程计算转子叶片不同振型下的气动阻尼,分析了不同的叶排轴向间距下尾迹和势干扰对气动阻尼的影响规律.通过将考虑转静干涉效应的气动阻尼与单转子的结果作比较,总结了转子-静子结构和导叶-转子结构的干涉作用对转子叶片颤振特性的影响规律.结果表明:对于1阶弯曲模态,转子叶片气动弹性稳定性不随轴向间距单调变化;上游尾迹干涉作用和下游静子势干扰的增强会加剧1阶扭转模态失稳,但是却促进1阶弯扭耦合模态气动弹性稳定.      

脉冲进气条件下可调向心涡轮内部流场数值研究

为评估可调向心涡轮在脉冲进气条件下的性能,通过对脉冲进气条件下的涡轮内部流场进行数值模拟分析,得到了脉冲进口压力对导流叶片段泄漏流量和总压损失、导流叶片尾缘激波强度及转子叶片前缘载荷的影响规律。导流叶片段泄漏流量和总压损失及激波随脉冲进口压力提高而线性增大,进口压力每提高10k Pa,泄漏流量增加约2.9%,导流叶片段的总压损失增加约2.7%,激波增强约14%;转子叶片前缘载荷也随脉冲进口压力增加而线性上升,当脉冲进口压力提高50k Pa时,转子叶片叶根前缘的载荷峰值增加约12.7%,中间叶高前缘位置的载荷峰值增加约24.9%。     

上下游干涉对转子叶片颤振特性的影响

使用自行开发的非定常流动数值模拟程序,分别考虑上、下游叶排干涉作用对转子叶片的颤振特性进行了研究,分析尾迹和势干扰对气动阻尼的影响规律.对转子叶片表面非定常压力进行傅里叶变换,使用能量法计算气动阻尼,研究不同叶片排轴向间距下气动阻尼的变化.通过考虑转静干涉效应的气动阻尼与单转子结果对比,总结了干涉作用对叶片颤振特性的影响规律;结果表明:上游导叶与转子一倍弦长间距时,获得正气动阻尼,与单转子预测的气动弹性稳定性结果相反.说明在进行颤振特性预测时必须考虑转静干涉作用;尾迹和势干扰的强度均随着轴向间距值的减小而加强,且都会加剧叶片气动弹性失稳.      

航空发动机叶片力矩测量装置设计

对航空发动机、汽轮机等转动系统的叶片进行平衡可有效地减少振动,通过对叶片进行质量排序或力矩排序可最大限度地减小不平衡量.在分析力矩测量原理的基础上结合叶片定位特点提出一种叶片力矩测量装置,结果表明该装置能够高效、准确地测量不同类型叶片在叶盘上的力矩,为叶片力矩排序提供数据支撑.     

高切线速度低压比单级风扇设计技术及试验验证

针对单级跨声速风扇高切线速度、低压比的特点,采用先进的气动布局及特性分析方法,高切线速度低压比转子设计、低损失可调导叶设计、大攻角范围低损失静子设计技术,以及叶顶激波系控制技术等,完成了该单级风扇的设计,并在此基础上完成机械运转、总性能试验及导叶优化试验。试验结果表明,该单级风扇在满足发动机尺寸设计要求的前提下,各转速流量、效率、压比及稳定裕度均满足设计指标要求,其中效率和稳定裕度远远超过设计指标。     

某型发动机涡轮冷却叶片的流动换热耦合计算研究

在对某型涡扇发动机高压涡轮转子叶片冷却结构分析的基础上，建立了流动换热分析的气热耦合计算模型．采用通用流体力学计算软件完成了高压涡轮转子叶片复杂结构的内外流场和温度场的一体化计算，得到了涡轮叶并流动换热的数值计算结果，对其冷却结构的换热效果进行了分析，并对气热耦合计算在涡轮冷却叶片设计中的应用进行了分析和探讨。