基于数值模拟的飞机近场尾涡特征参数计算

尾流间隔是飞机起降和飞行过程的安全保障。近场尾涡特征参数是尾涡远场演变和消散研究的基础，是缩减尾流间隔以提升机场及空域容量的理论依据。采用雷诺平均法数值模拟A320飞机尾涡的近场演化过程，对近场尾涡特征参数的计算方法进行了研究。结果表明：与Hallock-Burnham模型相比，Lamb-Oseen模型能更准确地描述近场尾涡速度分布；采用平均椭圆法计算的近场尾涡涡核半径比采用传统方法计算的精度更高；数值模拟中，A320机型更适合采用3～12 m的平均环量值来描述近场尾涡强度。     

CE-208B飞机挂飞冲压空气涡轮可行性研究

简要概述了冲压空气涡轮系统在CE-208B飞机上的挂装方案。基于经典的叶素-动量理论,利用Matlab软件计算了试验条件下涡轮叶片的气动特性,得到了对飞机产生的附加力和力矩,然后采用类比法和保守估算法计算分析了挂装冲压空气涡轮后飞机的升阻特性和力矩特性。研究表明,挂装冲压空气涡轮后,飞机的阻力略有增加,飞行性能无明显下降,飞机仍是纵向静稳定的,不会产生过大的滚转角;冲压空气涡轮在CE-208B飞机上挂飞的设计方案合理可行,为后续冲压空气涡轮在真实环境下的试验奠定了基础。     

引气冷却模型对涡轴发动机总体性能的影响研究

随着现代涡轴发动机性能的不断提高,其热力循环参数和引气量显著增加。针对这一问题,建立考虑压气机引气位置可变和涡轮中冷却气参与做功的涡轴发动机性能计算模型。当压气机引气位置变化时,采用流量平衡和功率平衡同时修正法计算发动机性能;涡轮冷却计算模型则考虑了第一级导向器叶片冷却气的做功。与传统涡轴发动机性能计算模型的计算结果对比表明:本文的计算模型能够合理反映引气量和引气位置对发动机特性的影响,更接近发动机的真实物理过程,可为发动机空气系统设计提供输入。     

飞机冲压空气涡轮系统的动态特性分析

冲压空气涡轮是飞机能源失效时使用的关键应急系统。首先依据冲击空气涡轮（RAT）工作原理确定其物理架构；然后对涡轮部件、能源转换装置、展开装置和展开随动机构等4个主要部件进行力学分析，建立各部件的力学方程组。依据该力学方程组，建立涉及力学、液压、刚体动力学的多学科冲压空气涡轮系统模型。使用该模型仿真了某真实系统在不同工况和设计参数下的动态特性，研究了关键设计参数对系统性能的影响，为冲压空气涡轮系统正向设计提供依据。最终，某型冲压空气涡轮系统风洞试验数据验证了所提系统模型的准确性。     

地面效应对尾涡消散的影响研究

采用大涡模拟方法可以分析和计算近地阶段尾涡消散和运动规律,但模型繁琐、计算复杂。本研究基于镜像涡方法建立了形式相对简单、计算迅速的近地尾涡运动模型和消散模型,计算结果与激光雷达测量数据和大涡模拟数据的偏差都不超过5％,满足动态尾涡间隔研究的需要。     

吸气式空气涡轮冲压发动机的过渡态性能

为计算吸气式空气涡轮冲压(air-turbo-ramjet,ATR)发动机过渡态性能,建立了ATR发动机过渡态模型.通过与传统涡喷发动机供油原则对比得到了ATR发动机供油应遵循的规律,计算得到了给定供油规律下的ATR发动机加减速性能.结果显示ATR发动机在供油规律选择上更加灵活,并能很好地满足喘振裕度的要求.根据ATR发动机自身特点,在补足低转速特性后,本模型可直接模拟ATR发动机起动过程.      

含硼贫氧燃气补燃室反应流场研究

以King模型模化硼粒子燃烧,以几率密度模型模化湍流燃烧,对含硼贫氧推进剂固体火箭冲压发动机补燃室流场进行数值研究,并与试验结果进行了对比。计算表明:环向燃料喷口布局可增加贫氧燃气气相组分与空气的混合、反应效率;突扩形的几何结构有利于燃气产生大涡运动。     

带有中心钝体的固体燃料冲压发动机工作性能分析

为提高固体燃料冲压发动机的燃烧特性和工作性能,提出了带有中心钝体的固体燃料冲压发动机方案,基于雷诺转捩和涡概念耗散方程建立了其湍流燃烧模型,并数值计算分析了其内流场、燃面退移速率、推力与总压损失。结果表明：带有中心钝体的冲压发动机内部流动过程较为复杂,钝体后部有四个漩涡,增强了发动机内来流空气与燃气的掺混;钝体孔隙中的高速气流与两侧的小尺度漩涡保证了钝体尾涡的稳定性;与普通固体燃料冲压发动机相比,在燃烧室中增加中心钝体能增大燃烧室内高温区面积,提高补燃室内温度,可使推进剂平均燃面退移速率提高26.11%,发动机推力提高22.12%,燃烧效率提高8.9%。     

高超声速并联TBCC总体性能分析与模态转换仿真

为了解决涡轮冲压组合循环(TBCC)高超声速推进系统的推力间隙问题,通过在风扇前嵌入预冷器冷却进口空气的方法扩展涡轮基的工作上边界,采用变几何方案提高冲压发动机在低马赫数下的推力。建立了双模态TBCC稳态性能模型,计算对比了不同构型TBCC的推力性能,选定了涡轮-冲压模式转换区间,计算了转换过程的推力变化、燃油和液氮的消耗量。结果表明:采用预冷、变几何方案能填补不预冷、定几何方案的推力间隙,在模态转换过程所消耗的液氮占飞行器总质量的0.6%。     

基于推力连续准则的小型涡轮冲压组合发动机模态转换过程分析

基于数值模拟方法开展了小型涡轮冲压组合发动机性能计算与匹配性分析.给出了详细的性能计算流程、设计点参数确定准则和模态转换过程参数计算方法.根据涡喷发动机压气机进口、涡轮出口的总静压参数沿飞行轨迹的变化规律,确定了涡轮模态向冲压模态转换的合理区间.根据冲压燃烧室进口参数和静压平衡等约束条件,确定了小型涡轮冲压组合发动机关键截面几何参数.分析了不同的流量调节阀开度对模态转换过程参数变化的影响.按照推力连续的准则,确定了模态转换过程流量调节阀开度随马赫数的变化规律.最后给出了沿飞行轨迹的涡轮冲压组合发动机推力、比冲和喷管喉道面积的变化.      

Application of immersed boundary method in turbomachines

Simulating unsteady turbulent flow in turbomachines is still challenging due to the complexity of blade geometry and relative motion between rotor and stator. This study presents an Immersed Boundary Method (IBM) for high-Reynolds turbomachinery internal flows, and shows the advantage of the automatic grid generation techniques and flexible moving boundary treatments. The wall functions are used in the present method to alleviate the wall resolution restriction of turbulence simulation. The Two-Dimensional (2-D) IBM solver, which was previously developed and tested for a low-speed compressor, is further validated for a well-documented Low-Pressure Turbine (LPT) cascade. Both the blade loading and the total pressure losses in the wake are well captured by the present 2-D solver. The complex Three-Dimensional (3-D) effects in turbomachines motivate the further development of an extended 3-D IBM solver by using a curvilinear-coordinate system that facilitates the hub and casing boundary treatment. The good performance of the 3-D solver is demonstrated through comparison with CFX solver solutions for the rotor configuration of Advanced Noise Control Fan (ANCF). Further effects of the grid resolution on capturing the blade wake are discussed. The results indicate that the present 3-D solver is capable of reproducing the evolution of the blade wake with suitable computational grid.     

微型飞行器小展弦比薄翼流场中的翼尖涡特性分析

采用虚拟压缩方法求解三维不可压缩N-S方程,数值模拟了无弯度、有弯度两类微型飞行器低雷诺数小展弦比薄翼的流场,将得到的结果与实验进行了对比,数据间吻合较好.然后在此基础上分析了小展弦比薄翼的气动力特性,详细研究了小展弦比薄翼流场中翼尖涡的涡态结构及形成规律,在对小展弦比薄翼流场尾迹区的翼尖涡采用近似模型的基础上,对尾迹区翼尖涡的强度进行了分析.结果表明,翼尖涡是影响小展弦比薄翼气动力和流动分离特性的一个重要因素.     

2种涡轮燃烧形式的涡扇发动机性能研究

为了研究不同涡轮燃烧形式对大涵道比涡扇发动机的性能影响,在传统发动机数学模型的基础上,分别加入各型涡轮燃烧结构的热力学计算模型,分析比较了在不同工作过程参数下,4种带涡轮燃烧结构发动机与传统发动机的性能（单位推力和单位燃油消耗率）随风扇增压比、高压压气机增压比、高压涡轮进口总温和涵道比的变化关系。结果表明：涡轮级间燃烧室（ITB）与涡轮叶间燃烧室(TIB)各有特点,但都能够明显提高传统分别排气涡扇发动机的性能,其中高压涡轮叶间燃烧室（HTIB）效果尤为突出     

直升机旋翼尾迹研究的进展

 通过对直升机旋翼尾迹分析方法现状的考查,提出相应于“自由尾迹”的“约束尾迹”概念,设想了在约束条件限制下进行尾迹分析的一类新方法——约束尾迹分析法。其基本点在于通过实验分析,建立可靠的尾迹约束条件,既可克服预定尾迹分析的局限性,又可克服自由尾迹分析过于理想化的缺点。其目的是减少计算量,提高计算结果的可靠性。     

悬停状态旋翼尾迹研究及气动特性计算

本文用试验的方法显示了悬停状态旋翼的尾迹几何形状，并以试验结果为依据对现有的尾迹几何模型进行了修正。最后以两个模型旋翼为例，分别用修正前的修正后的尾迹几何模型计算它们在悬停的气动特性和桨中处的诱导速度分布。所得结果表明用修正后的尾迹几何模型来计算悬停状态旋翼的气动特性能有效地改善计算结果的准确性。     

悬停状态旋翼尾迹边界测量

介绍了用试验来定量确定悬停状态旋翼尾迹边界的方法，从物理本质分析了悬停状态旋翼尾迹的湍流特性，阐述了如何用热线风速仪来测量尾迹的湍流度并用湍流度来确定桨尖涡的位置和尾迹边界。揭示了悬停状态旋翼尾迹边界的一些特点，最后将试验结果与国外的相应研究结果作了比较，发现两者吻合得较好。     

一种适用于进近尾流间隔缩减的机型聚类方法

目前,我国广泛使用的尾流间隔标准过于保守,导致机场跑道容量受限。以进近航空器的尾流遭遇问题为研究对象,首先研究进近尾流安全间隔缩减方法,获取缩减后的临界尾流间隔;然后基于主成分分析法（PCA）对 BADA 数据库中的航空器性能数据降维,提出一种适用于进近尾流间隔缩减的机型层次聚类方法;最后采用该方法得到新的机型分类结果并构建缩减后的尾流安全间隔标准。结果表明：本文所使用的机型层次聚类方法与国内外航空器分类方法具有较好的一致性,在长沙黄花国际机场的主流配对机型间,所获取的进近航空器尾流间隔标准与传统尾流间隔标准相比可以缩减 0.8 km 以上。     

侧向风速对飞机尾流运动的影响

为了使机场雷达能实时探测和定位飞机尾流,对飞机飞行环境进行合理假设后提出了一个仿真尾流的保守被动模型,该模型能很好地描述尾流中水蒸气等物质的运动演化规律。综合考虑大气环境中风速对尾流的影响,利用该仿真模型对尾流进行了实时仿真,得到了不同侧向风速情况下,不同时刻尾流的状态分布等重要特性。通过分析侧向风速对飞机尾流运动过程的影响,证明了当侧向风速为1.0~3.0 m/s时是最危险的,所得结论可为飞机飞行过程中避免尾流的影响提供理论依据。     

旋翼桨尖涡模型及其在自由尾迹分析中的影响

 建立了一个旋翼桨尖涡初始涡核半径计算模型,用于消除旋翼自由尾迹分析中桨尖涡涡核半径依靠经验设定的现状。该方法利用涡量和涡矩守恒关系,考虑旋转效应的影响,并修正Vatistas涡量分布函数,得到了一个关于桨尖涡初始涡核半径与桨叶附着环量分布之间的非线性关系。将新建立的初始涡核模型同先前建立的涡核扩散与拉伸模型以微分方程初值问题的形式组成一个完整的桨尖涡模型,并将其应用于自由尾迹分析方法中,分别对两副模型旋翼的悬停尾迹进行分析。计算得到的桨尖涡初始涡核半径和展向位置与实验测量值的对比表明本文模型具有较高的准确性。此外,讨论了涡核湍流动量扩散效应在自由尾迹分析中的影响,分析表明该效应对自由尾迹分析的收敛性有重要影响。