多管脉冲爆震发动机流场数值研究

针对二维带有收敛扩张喷管的双管脉冲爆震发动机(PDE),采用并行的时空守恒元和解元(CE/SE)方法对单管点火、双管同时点火和不同喉道面积情况下的爆震流场进行了数值模拟。化学反应模型采用H2和O2的8组分34基元反应。计算发现,单管点火情况下传入旁通爆震管的流场可以引爆其中的可燃气体;多管PDE内流场之间的相互作用使管内的压强处于比较高的状态;增大喉道面积削弱了多管PDE流场之间的相互影响,同时减小了封闭端面的压力,从而导致发动机性能下降。     

时空守恒元和解元方法的爆震波一维数值模拟

运用基元化学反应模型和流体力学的基本原理，建立了脉冲爆震发动机一维非定常反应流数学模型。应用一种改进的时空守恒元和解元(CESE)方法建立控制方程的差分格式，针对化学反应源项的刚性问题，在对非线性源项进行线性化处理的基础上，应用隐式梯形方法实现源项的积分。对氢氧爆震波的形成和传播过程进行数值计算，结果表明，应用CESE方法和基元化学反应模型能够成功地模拟氢氧爆震波的精细结构。     

CE／SE并行计算研究及在Euler方程中的应用

时空守恒元和解元方法(CE/SE)是一种高精度的数值求解方法.采用改进的CE/SE方法和并行分区技术,针对非结构网格,发展了一套求解二维Euler方程的并行程序.对NACA0012翼型的亚跨声速流动和多段翼型复杂绕流进行了分区并行求解,多区并行计算的结果与实验的结果吻合较好,表明了本文研究方法的正确性和有效性.同时文中的分区方法能实现各处理器之间的负载均衡,有效地节省计算时间.     

有、无障碍物爆震管起爆过程的CE/SE模拟

用时空守恒元和解元(CE/SE)法模拟有无障碍物情况下爆震管二维爆震波的形成和传播过程,分析爆震波的不同机理,研究在较低能量下,点火区温度、爆震管管径以及障碍物对爆燃-爆震转捩过程(DDT)的影响.控制方程采取无量纲形式,用拓展的隐式梯形法实现刚性源项积分.研究表明,点火能量与点火压力相关,在较低的点火能量下,可以通过提高点火温度、减小爆震管径及加入障碍物加强爆震过程,减小爆燃-爆震转捩过程DDT时间和距离.为研究爆震波点火和DDT过程提供了理论依据.      

CE/SE方法在非定常爆轰计算中的应用

建立了非定常爆轰波的理论模型。根据CE/SE方法的基本思想，推导出适合于求解二维N-S方程的长方形网格的CE/SE方法。对于包含刚性反应源项的守恒方程组，将其分为两部分，其中刚性反应源项单独求解。本文以爆轰管内装填C3H8/O2预混气体为例，数值模拟管内爆轰波的传播过程以及爆轰波脱离爆轰管后流场的图谱。计算结果显示，爆轰波在管内传播时，其波系极其复杂。当爆轰波离开出口后，迅速熄灭为非反应的激波。管外不仅有激波、膨胀波的传播，而且还存在激波与涡的相互作用。数值实践表明，该CE／SE方法可以有效捕获爆轰波与激波等强间断。     

CE/SE法模拟爆震波点火及传播过程

运用时空守恒元和解元(CE/SE)法模拟一维爆震波的形成及传播过程,分析产生爆震波的不同机理和DDT(爆燃-爆震转捩)过程的影响因素.采取激波点火和热点点火两种点火方式,分别对应SDT(激波-爆震转捩)和DDT过程,热点点火初始场采用线性温度分布和阶梯性温度分布,整个管道均为常压.用隐式梯形方法实现刚性源项积分.结果表明,SDT和DDT对应于不同的爆震波机理,并且DDT受点火区不同参数的影响,为研究爆震波点火和DDT过程提供了理论依据.     

涡轮叶片凹槽状叶顶非定常流动传热特性的数值研究

为了研究涡轮叶片凹槽状叶顶的非定常流动传热特性,以GE-E3第一级静叶和动叶为研究对象,采用ANSYS-CFX数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和标准k-ω紊流模型。数值预测的叶顶换热系数分布与实验数据吻合良好,从而验证了数值方法的可靠性。数值计算结果表明:静叶尾迹对动叶顶部的流动和换热特性影响显著。压力面侧前缘区域和吸力面中间位置的流场受动静干涉影响显著。叶顶表面的换热系数脉动主要出现在靠近前缘的凹槽底部表面和再附着线附近及吸力面侧肩壁。靠近动叶尾缘区域的换热系数脉动同时受动静干涉作用和下游流场的影响。定常计算得到的换热系数在前缘冲击区和分离线附近高于非定常时均值,在压力面侧肩壁附近小于非定常时均值。定常计算得到的平均换热系数要高出非定常计算结果3.5%。     

多腔室凹槽对涡轮叶顶流动传热特性影响的数值研究

现代航空发动机为获得更大输出功率和推重比,涡轮进口温度不断提高,因此高温燃气在无围带动叶叶顶间隙的泄漏引起叶顶热负荷急剧增加,甚至导致叶片烧蚀、失效,严重影响涡轮运行安全。为降低叶顶热负荷,抑制泄漏流,本文以GE-E3第一级叶栅为研究对象,通过求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS）方程和湍流模型研究了多腔室凹槽对叶顶流动传热性能的影响。研究结果表明:在多腔室凹槽中,叶顶换热系数随着叶顶空腔数量的增加而逐渐减小,凹槽腔室内刮削涡可有效降低泄漏流量。格栅结构在凹槽中起到“气动篦齿”作用,在0至20%的流向区域内泄漏流控制效果显著。Case7的叶顶换热系数最小,比Case1降低了40.44％;Case2和Case3可显著抑制叶顶泄漏量,与Case1相比分别降低了33.82％、28.90％。     

轴向非均匀凹槽叶顶的实验与数值研究

为探究不同轴向非均匀凹槽间隙控制泄漏流动的效果和机理,采用实验与数值结合的研究方法,对两种间隙条件下的叶顶凹槽结合渐缩型间隙、均匀型间隙和渐扩型间隙方案对涡轮叶顶泄漏流动的控制效果进行研究。结果表明:减小泄漏流流量与控制叶栅总压损失之间没有直接联系,渐扩型间隙增大了26.7%的泄漏流流量,但在小间隙和大间隙条件下分别减小了2.44%和3.53%的总压损失;渐扩间隙减小总压损失,是通过有效减小通道涡在节距向和展向的尺度,并在一定程度上减小泄漏涡在节距向的尺度实现的;渐扩间隙减小通道涡和泄漏涡的尺度,其原理在于渐扩间隙的布置增强了凹槽内的径向流动,使压力面再附线更靠近叶片,吸力面泄漏涡分离线位置更靠后,从而抑制了泄漏流动。      

守恒型可压缩一维湍流方法及其在超声速标量混合层中的应用

一维湍流（ODT）方法是一种能在一维计算域上遵循湍流基本物理规律的湍流建模方法。通过结合确定性和随机性求解方法,能够在一维计算域上准确捕捉到湍流统计规律,且降维建模可显著减小计算量。ODT方法主要被广泛用于不可压湍流和湍流燃烧研究,若要将其拓展用于模拟高速可压缩湍流,需对建模方法进行深度改进。相比于不可压ODT方法,本文基于欧拉参考框架,针对可压缩湍流的特性,将因变量由原始变量改为有利于减小可压缩湍流模拟误差的守恒通量,并加入了组分求解模块。对确定性和随机性求解模块均进行了相应的深度改进,开发出具有标量混合模拟功能的守恒型可压缩ODT方法。在确定性模块中改为求解以守恒通量为变量的一维截断控制方程,在随机性模块中构造一维涡时,将三联映射的作用对象也相应地由原始变量改为守恒通量,并选用了可保证变密度情况下动量守恒的双核变换。通过模拟空间发展超声速平面湍流混合层并将自相似阶段结果与实验结果比对,验证该方法对可压缩剪切湍流场中标量混合的捕捉精度。守恒型可压缩ODT方法模拟得到的速度场和组分场的平均剖面和脉动强度分布与实验结果准确吻合,精度明显优于传统的耦合梯度扩散亚格子模型的大涡模拟方法（LES-GRAD.DIFF.）以及耦合线性涡（LEM）亚格子模型的大涡模拟方法（LES-LEM）,且该方法的降维处理使其在降低计算成本方面具有显著优势。     

热点触发爆震波的数值研究

运用时空守恒元和解元(CE/SE)法模拟爆震波由热点触发的过程,分析通过热点触发爆震波的机理以及热点触发爆震的影响因素。数值研究表明,热点内部均匀温度分布和线性温度分布有着不同的加速机理。触发爆震波过程受到热点区域大小、形状及温度分布等因素的影响,半球形的热点形状最易起爆;热点区域越大,温度分布线性化越高,越容易形成爆震。     

采用改进的CE/SE方法模拟方管中氢氧爆轰波的稳定传播结构

采用改进的时空守恒元/解元（CE/SE）格式和新型二步化学反应模型,对小扰动情况下方管通道中的氢氧气相爆轰传播过程进行了数值模拟,对不同截面尺寸和两种扰动模式下的爆轰波三波线结构进行了详细计算和分析。数值模拟花费了相对较少的计算代价,清晰地得到了方形截面通道中3种相对稳定的爆轰波传播结构,即直角模式、对角模式和螺旋模式。随着截面尺寸的减小,爆轰波胞格图样与波阵面结构随之产生适应性的变形,乃至出现胞格数目的减少和部分三波线的消失;最终,直角模式和对角模式都会转化为顺时针或逆时针的螺旋模式;临界尺寸下,得到了转换过程中新的过渡结构和压力脉冲振幅的变化,并以此初步讨论了直角和对角传播模式的稳定性。     

基于CE/SE的飞机救生系统动力装置内弹道性能计算

建立某飞机救生系统动力装置套筒式内弹道物理模型,结合CE/SE方法研究粘性二维两相流的内弹道数学模型,计算其性能参数,并与试验数据进行对比。结果表明：套筒内气体压力随时间变化的试验曲线与计算曲线基本吻合,最大压力pm、出口压力pL、工作时间tL和出口速度vL等内弹道性能参数的计算值与试验值最大偏差小于5%。说明运用CE/SE的方法能更加精确的计算内弹道性能,计算具有的准确性和实用性。     

超声速开式空腔流动的数值模拟

研究了不同长深比、不同雷诺数条件下,超声速开式空腔流动特性的变化。算法采用空间上5阶的WENO格式,时间上具有TVD性质的3阶Runge-Kutta方法,湍流模型选用B－L模型。数值模拟获得了不同的时刻的注场图像,压力波、涡以及空腔结构之间的相互耦合作用,使得空腔内存在典型的周期性压力脉动,但不同长深比空腔的流动性存在较大差别。     

冲压发动机燃烧不稳定性数值研究

使用FLUENT CFD计算软件开展了号冲压发动机燃烧不稳定性问题的数值研究。采用Finite-Rate/Ed-dy-Dissipation燃烧模型,随机轨道颗粒模型,考虑燃油液滴的一次雾化、二次雾化、蒸发和掺混,计算获得燃烧室内部热释放率、压力随时间的变化曲线,依照瑞利准则讨论了该型号发动机燃烧不稳定性的机理。     

凹腔双驻涡稳焰冷态流场初步研究

驻涡燃烧室凹腔内流场对其燃烧性能有重要的影响,为了找出凹腔流场的特性,使用数值和实验两种手段对凹腔内双驻涡稳焰冷态流场进行了初步研究。研究结果表明:在主流速度和凹腔前壁面吹气速度一定的情况下存在一个最佳的后壁面吹气速度使得凹腔内的流场稳定,以满足先进燃烧室所期望的条件。研究成果初步确定了凹腔双驻涡稳焰冷态流场特征,并为开展热态研究打下基础。