基于流固耦合的反推力装置负载特性

反推力装置负载特性是其运动机构及驱动作动器强度设计的基础,其中阻流门所受气动载荷及其应力分布计算是核心。以叶栅式反推力装置为对象，采用重叠网格方法实现阻流门和滑动整流罩的旋转以及平移运动网格划分，在STAR-CCM+软件环境下确定了流固耦合交界面的数据映射与交换关系，由此建立了反推力装置流固耦合数值分析模型。对反推力装置在飞机降落时正常打开和起飞滑跑紧急终止时应急打开两种动态过程进行仿真，结果表明：随阻流门旋转，阻流门所受气动载荷与等效应力快速增加，并在旋转角度为50°附近达到最大，且在应急终止起飞状态下打开反推力装置，阻流门承受的最大气动载荷是正常打开过程的3倍以上。     

叶栅式反推力装置阻流门运动规律对气动性能的影响

在分析叶栅式反推力装置结构及工作原理的基础上,通过计算初步研究了反推力装置运动规律对风扇出口及阻流门上气动载荷的影响.计算结果表明,反推力装置打开时,运动规律直接影响风扇在反推力装置打开/关闭过程中工作点位置,运动规律3,4分别适合风扇外涵喘振裕度较大、较小发动机的反推力装置选用;各运动规律中,阻流门气动载荷在阻流门开始转动瞬间加载.      

反推力装置运动学与动力学仿真

为了研究叶栅式反推力装置各部件在工作过程中的运动学与动力学特性,根据机构运动原理对反推力装置进行简化并建立了运动学与动力学数学模型。以滑动整流罩位移与阻流门所受气动负荷为输入进行运动学与动力学仿真,得到了反推力装置各部件的位移、速度及受力特性曲线,并对比分析了在不同尺寸参数下各部件特征点的运动轨迹和反推力装置负载力变化。结果表明:运动学及动力学仿真结果与工程实际相符;反推力装置机构参数选择不合理时,各设计点会发生干涉现象并导致机构无法运动;机构参数变化对负载力最大值影响尤为突出,在阻流门AC段长度值增大6%,阻流门CB段长度值减小9%的情况下,负载力正向最大值将增大19.53%,负向最大值增大12.67%。研究方法及研究结果可为反推力装置运动学及动力学分析,以及为反推力装置机构优化设计提供参考。      

叶栅参数对反推力装置气动性能影响规律

针对某型叶栅式反推力装置,开展了气动性能数值预测的研究工作。采用本文提出的数值计算方法,在不同落压比下反推力预测值与实验值最大相差8．2％。流场速度等值线分布展示反推力装置叶栅内部流动特征．叶栅叶盆处的旋涡和叶背处的失速是导致气动性能下降的不利因素。大量数值计算结果揭示了叶片进入角、出流角、稠度等结构参数对轴向反推力、流量系数、总压恢复系数的影响规律。在本研究范围内,叶片进入角54°、出流角135°、稠度1.3的叶栅几何结构综合气动性能最优。     

航空发动机风扇叶尖径向间隙数值分析

采用流-固-热耦合计算方法,综合考虑离心载荷、温度载荷和气动载荷影响,对某改型发动机的风扇转子和风扇机匣进行数值分析,获得了发动机三个典型状态点下,风扇转子和风扇机匣的压力、温度及结构变形分布;通过对风扇转子和风扇机匣两者变形的叠加,获得了风扇叶尖径向间隙分布。计算结果显示:该型发动机在原型机设计点和转速最高状态下,风扇叶尖与风扇机匣内壁面发生碰磨;而在温度载荷最大状态下,风扇叶尖与风扇机匣内壁面始终存在间隙,这会影响到该状态点下的风扇效率,需在后续设计中予以考虑。     

某型飞机反推力装置加载试验

由于反推力系统必须在模拟气动载荷下做试验,以验证反推力系统功能的安全可靠性。因此在液压系统地面模拟试验中需配置一套反推力装置加载系统,以实现对反推力在展开和收起过程中所受气动载荷的模拟。在简要介绍反推力系统及其加载系统的基础上,主要研究如何完成某型飞机反推力装置加载试验,并满足其性能要求。     

隔离段内激波串受稳态和脉动背压影响的数值研究

本文基于非稳态雷诺平均的Navier-Stokes方程,探究在来流 条件下隔离段内激波串在稳态背压、脉动背压与隔离段自激振荡共振状态下的振荡特性。结果表明：隔离段激波串的自激振荡频率受稳态背压大小的影响,激波串在9倍和10倍来流静压的稳态背压条件下会产生频率分别为506Hz和454 Hz的自激振荡,且激波串前缘位置呈周期振荡。 在脉动背压条件下,激波串运动受脉动背压和自激振荡的共同作用,产生多个主导频率;当脉动背压振荡频率与自激振荡频率相近时,激波串运动达到共振状态,主要体现在激波串振幅的增强,振幅大小可以达到管道长度的33.5%,而受到100Hz的低频脉动背压影响时,振幅大小为管道长度的24%;同时共振状态下隔离段内上游的压升较受100Hz低频脉动背压影响的受迫振荡状态更高;出口脉动背压的相位变化对共振状态下激波串运动振幅几乎没有影响,表明激波串的自激振荡可能存在“自适应”特征,能匹配激波串受迫振荡的相位变化。     

背压脉动作用下旋转冲压转子进气道流场激励特性

为了获取外界激励作用下旋转冲压转子进气道流场激励特性及性能的变化规律,对旋转冲压转子进气道背压脉动时压缩进气道的内部流场进行了数值仿真,分析了背压脉动时不同脉动频率、不同脉动幅值条件下旋转冲压转子进气道流场的激励特性及性能变化.研究结果表明,背压脉动对旋转冲压转子进气道流场的激励特性及性能具有显著的影响.旋转冲压转子进气道流场激励的非线性特征随着背压脉动频率的增加而增强,却随着背压脉动幅值的增加而减弱.旋转冲压转子进气道性能的稳定性随着背压脉动频率和幅值的减小而增强.     

旋转通道内流阻特性实验的实现与验证

针对涡轮叶片的蛇形内冷通道内流阻特性的研究,在北京航空航天大学航空发动机气动热力国家级重点实验室的旋转涡轮叶片内冷通道换热实验台上构建了旋转工况的测压系统.该测压系统具有高精度、多路选通、高压高旋转数等特点.在通道进口雷诺数从20000~70000,旋转数从0~1.025的范围内,实验研究了旋转状态下,冷态与热态流场下方形截面光滑U形通道流阻系数.实验结果与国外同类实验对比验证了构建的实验系统的可靠性和优越性.实验结果表明:低雷诺数下静止工况的流阻随雷诺数增大而增大,并在雷诺数增大到一定值后转而减小.冷态下流阻随旋转数增大而增大,低旋转数下旋转对热态流阻影响并不显著,高旋转数下热态流阻随旋转数增大而显著增大.      

民用发动机附件风扇叶轮疲劳寿命数值分析

叶轮疲劳寿命是影响风扇寿命的关键因素,鉴于风扇叶轮低循环疲劳试验周期长、成本高,在叶轮结构前期设计时,对某型叶轮低循环疲劳寿命进行数值分析,根据仿真分析结果初步预估叶轮寿命,给后期的叶轮疲劳寿命试验提供一定参考依据。仿真主要通过对风扇流场、叶轮强度、疲劳及叶轮模态进行分析,得出风扇流场和结构气动载荷下分布云图、叶轮离心、气动、离心气动耦合载荷下应力云图及叶轮前六阶模态云图。结果表明：离心叶轮工作时受到主要载荷为高速旋转时离心载荷,气动载荷对叶轮结构的影响相对较小;在离心气动载荷耦合的情况下,叶轮在19 955 r/min工作转速下的vonMises等效应力及最大应力为21.25 MPa,远小于叶轮结构材料2A70 T6屈服强度204 MPa和疲劳强度102.6 MPa,评估出叶轮结构在整个寿命期内不会发生屈服失效、疲劳失效,能够满足60 000次低周循环疲劳寿命的要求。在静态分析基础上探讨了不同转速下叶轮的动态特性,并绘制叶轮模态特性随转速变化的Campbell图,给出共振风险点,为后续综合考虑动态、静态特性对叶轮疲劳寿命影响奠定基础。     

反推装置对翼身融合分布式推进系统气动性能影响数值模拟

为了研究新型反推装置对翼身融合分布式推进系统气动性能的影响,将机身简化为二维模型,利用数值模拟的手段来研究攻角、反推开度,以及风扇打开或关闭对飞行参数的影响,为翼身融合分布式推进系统的反推装置设计提供初步的意见和建议。结果显示:反推闭合和风扇打开之后该机型的升力系数和俯仰力矩系数都会有较大增加;随着反推开度的增加,升力系数和俯仰力矩系数也随之增加;来流攻角对翼身融合分布式推进系统的气动性能也有较大影响。      

翼身融合背撑发动机反推绕流流场数值研究

基于RANS（Reynolds averaged Navier-Stokes）方法,采用SST（shear stress transport）湍流模型和进排气边界条件,对翼身融合背撑发动机反推绕流流场进行了数值模拟,探究得到反推气流动力影响下机体气动载荷的变化规律,并评估了不同发动机功率下反推的增阻效果,以及对进气道流场畸变特性进行了初步的分析。结果表明:反推气流会显著影响机体气动载荷的分布状况,发动机前方的机体表面压力逐渐增大,经过反推出流带后,表面压力急剧减小,沿展向其影响逐渐减弱;在一定范围内,反推气流的轴向折流角越大,对气动载荷分布的影响越剧烈,增阻效果也越好;轴向折流角和来流马赫数的变化会影响进气道流场畸变特性。      

新型无叶栅反推力装置的气动性能研究

结合国外的相关研究工作,对新型无叶栅反推力装置的气动性能进行研究和分析,利用康达效应提高新型无叶栅反推力装置的工作效率。计算结果表明,利用康达效应可以使新型反推力装置的轴向反推力系数从0.175提高到0.36。此种反推力装置与常规叶栅式反推力装置相比,质量大大减轻,适合应用在大涵道比涡扇发动机上。     

大涵道比涡扇发动机射流控制反推模型数值模拟

基于CFD(计算流体动力学)数值模拟技术,分别对两个不同涵道比涡扇发动机叶栅式射流控制反推模型进行计算,分析了反推力的产生及控制机理,并详细分析了二次流喷射压比、喷射位置、喷射角度及主流压比对流场结构和反推性能的影响.采用与反推力成正比的参数反推质量流量比来衡量反推性能的优劣,计算结果表明:二次流喷射压力、喷射位置和喷射角度是影响反推性能的重要参数,并且在一定的风扇涵道流前提下,存在最佳的二次流喷射位置、喷射角度和喷射压力;由于二次流引气量的限定,限制了二次流射入深度,因此射流控制反推技术不能用于超大涵道比发动机.      

主要几何参数对叶栅式反推力装置性能的影响

选取等厚叶栅进行数值模拟,采用混合网格生成技术,研究叶栅进口气流角、过渡段半径、叶片上下端轴向间距、稠密度和出口气流角对空气流量和轴向反推力的影响.计算结果表明:进口气流角、过渡段半径和叶片上下端轴向间距对风扇气流能否顺利导入叶栅起重要作用;稠密度影响着叶栅的出口面积和导流性能;出口气流角是反推力装置设计的关键因素,对反推性能起着决定性的作用.      

抓斗式反推装置打开时反推性能参数计算

根据共形映射理论建立了抓斗式反推装置二维流动数学模型,得到抓斗式反推装置打开时反向气流喷射角ф与抓斗式反推装置几何参数间的关联关系.将该模型和涡扇发动机性能计算模型耦合,得到了抓斗式反推装置打开时反推参数的计算模型.以某型涡扇发动机为例,计算了着陆时反推气流角和反推装置几何参数,以及反推力随马赫数、发动机转速的变化关系,并与测量数据进行了对比分析.表明给出的抓斗式反推装置打开时反推性能计算模型具有较好的计算精度.      

叶栅稠密度及进出口气流角对反推性能的影响

导流叶栅几何及气动参数的选取直接关系到叶栅式反推力装置的性能,本文选取冲击式对称叶栅进行数值模拟,采用混合网格生成技术,研究叶栅稠密度、叶片进口气流角和出口气流角对轴向反推力系数和流量系数的影响。计算结果表明,叶栅稠密度在一定范围内变大时,流量系数减小,轴向反推力系数增加;在反推气流不被进气道吸入的情况下,当气流角增大,流量系数变大,轴向反推力系数降低。双曲非等厚叶片的气动性能要好于单曲等厚叶片。     

蚌壳式反推装置打开时反推性能参数计算

根据自由流线理论建立了蚌壳式反推装置二维流动数学模型,得到蚌壳式反推装置打开时反向气流偏转角 与蚌壳式反推装置几何参数间的关联关系。将该模型和涡扇发动机性能计算模型耦合,得到了蚌壳式反推装置打开时反推参数的计算模型。以某型涡扇发动机为例,计算了着陆时反推气流角和反推装置几何参数,以及反推力随马赫数、发动机转速的变化关系,并与测量数据进行了对比分析。表明本文给出的蚌壳式反推装置打开时反推性能计算模型具有较好的计算精度。