大水滴撞击壁面的动态特性数值模拟

采用 VOF 方法建立了大水滴撞击壁面的计算模型,模拟了大水滴以不同直径、不同速度撞击光滑壁面的动态撞击过程和撞击特性。计算结果表明：在大韦伯数情况下,水滴撞击光滑壁面会在铺展过程中发生边缘水滴飞溅;在水滴撞击壁面的收缩阶段,随着水滴直径的减小和水滴速度的提高,会发生液膜缓慢收缩、边缘液环和液膜分离、中心处部分液膜和边缘液膜分离、液膜完全破裂等不同结果;当水滴直径和撞击速度增大时,同一时刻水滴的铺展半径、最大铺展半径、最大铺展系数增大;水滴在壁面上达到最大铺展系数所用的无量纲时间随水滴直径增大而增大,同一直径水滴不同初始速度下达到最大铺展系数所用的无量纲时间变化较小。     

过冷水滴撞击三维机翼的数值模拟

基于欧拉两相流理论,提出一种数值模拟过冷水滴撞击三维机翼的方法.根据水滴拟流体模型建立三维水滴控制方程;提出一种可穿透型壁面边界模拟水滴对机翼表面的撞击;由水滴流场的求解结果得到机翼表面的水滴收集特性.对ONERA M6机翼表面的水滴收集特性进行了研究,计算结果表明所提出的数值模拟方法是有效、可行的,可以为三维积冰的数值模拟研究奠定良好的基础.      

振动对液滴撞击壁面铺展特性的影响

在航空航天领域的喷雾冷却过程中,被冷却器件时常处于振动状态,因此确定振动对喷雾冷却液滴撞击壁面动态行为的影响有重要意义。基于VOF方法和动网格模型建立了液滴撞击垂直简谐振动壁面的数值模型,研究了壁面振幅、频率和初始相位角对铺展特性的影响。结果表明,相同撞击条件下,壁面振动不仅影响着最大铺展因子和铺展时间的大小,还会使液膜发生断裂抑制和飞溅行为;初始相位角为0°时,铺展时间随振幅和频率的增加而减小;最大铺展因子随振幅的增加一直增加,振幅较小时,最大铺展因子随频率的增加先增加后减小,在共振频率处取得最大值且减小程度随振幅的增大逐渐降低,振幅较大时,最大铺展因子随频率的增加变为一直增加;铺展时间和最大铺展因子随初始相位角的变化趋势主要与频率有关,频率较小时,初始相位角对铺展时间和最大铺展因子无明显影响,随着频率的增加,铺展时间先后在180°和90°相位最大,最大铺展因子先后在0°和180°相位最大。     

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。     

发动机防冰支板水滴撞击特性的数值研究

在对发动机防冰支板附近的流场进行计算的基础上,使用离散相模型在拉氏坐标下模拟了该流场中过冷水滴的运动轨迹,对发动机防冰支板的水滴撞击特性进行了研究.研究表明,水滴撞击极限、总收集系数和局部收集系数随飞行高度、来流速度及水滴直径的增加而增大.     

水滴撞击特性的重力影响分析

以NACA0012翼型为研究对象,采用拉格朗日法分析了重力对水滴撞击特性的影响,获得了过冷大水滴（SLD）的撞击特性。计算结果表明：当水滴直径超过50μm时,重力对水滴轨迹以及极限轨迹的初始位置影响很大;SLD的水收集系数和收集区域都较直径为10～40μm的水滴（美国联邦航空条例FAR25部附录C规定的防冰系统设计用水滴直径范围）有较大幅度的提高,该结论可为飞机防冰系统的设计以及冰风洞中喷嘴安装位置的确定提供参考。     

过冷水滴撞击结冰表面的数值模拟

为了计算过冷水滴撞击结冰表面,本文应用雷诺平均Navier-Stokes方程和k-ε两方程紊流模型计算结冰表面外的空气流场。用欧拉法建立了空气中过冷水滴的运动方程,并采用有限控制容积法对方程进行了数值计算。为了提高计算精度,方程中的对流—扩散项采用MUSCL格式进行了离散。计算结果表明过冷水滴的大小和机翼攻角的变化对结冰区的大小和水收集系数的影响很大。      

水滴动力学行为对其撞击特性影响

设计了一种压电式等径离散水滴发生器,利用高速摄影的手段对水滴变形现象进行了实验研究。建立了水滴变形后的非球形阻力模型,同时引入了水滴破碎和飞溅模型,采用欧拉法对不同条件下水滴撞击NACA23012翼型的过程进行了数值模拟,并与传统模型下水滴撞击特性计算进行了对比。研究表明:水滴变形会导致其阻力系数增大,水滴阻力系数曲线在雷诺数大于500时逐渐脱离球形阻力曲线,不断增大接近圆盘阻力系数;水滴阻力特性的改变会影响水滴运动轨迹,增强水滴的气流跟随性;水滴飞溅会造成水滴质量损失,减小翼型表面局部水收集系数,这与实验数据更加吻合。      

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.     

微重力场中弱强迫流动作用下的固体表面火蔓延

本文研究了微重力条件下固体可燃物表面的火焰传播过程。建立了火蔓延的三维非稳态数学物理模型，给出微重力条件下燃烧过程中固体中燃物气化表面耦合效应的数学处理。运用数值模拟的方向，探讨微笪力条件下燃烧过程的物理机理。研究了产强迫流动对固体表面火蔓延过程的影响，揭示了微重力场中弱强迫流动作用下出现逆风火焰比顺风火焰旺盛的独特现象，并与正常重力场的计算结果作了对比。数值模拟的结果基本合理。     

液固撞击的非线性耦合波动模型研究

推导了可用于研究液固撞击问题的非线性耦合波动模型 ,并将其应用于球形液滴与弹性固体平面撞击过程的数值分析。细致地研究了液固接触面及液体内无量纲压力分布 ,固体区域内等效应力的分布 ,固体弹性对撞击过程的影响 ,以及各个计算时层固体区域内最大等效应力所在点的位置。分析结果表明非线性波动模型可以较为准确地描述液固撞击过程 ,给出详细的液固撞击过程的各个物理参量 ;为液滴侵蚀固体表面问题的研究提供了可靠的基础。     

油滴与铝合金壁面的碰撞试验

机械零部件喷油或滴油润滑方式下油滴与零件表面碰撞后形成的沉积油膜流动特性决定着零件表面润滑油膜的分布特征和零件的润滑状态,对于这一润滑现象的深入理解需要对油滴与金属固体壁面碰撞及其后沉积油膜的流动铺展行为进行研究。建立了油滴与铝合金壁面碰撞的试验装置,采用高速相机拍摄了油滴与铝合金壁面碰撞及其后沉积油膜的流动铺展与形貌演化过程,分析了碰撞油滴的变形及沉积油膜的铺展与回缩历程,探讨了碰撞条件和润滑油黏度对沉积油膜流动铺展特性的影响。结果表明:与铝合金壁面碰撞后形成的沉积油膜铺展较快而回缩较为缓慢,没有明显的整体回缩现象和振荡过程。较小碰撞角度下,铺展初期油滴与壁面之间存在轻微滑移现象,受重力和铺展能量的作用,铺展后期油膜发生断裂并溅射离开壁面,但没有二次油滴生成。前铺展因子随着碰撞角度的减小和碰撞速度的增加而增大,后铺展因子则随着两者的增大而增大。油滴直径对前、后铺展因子的影响不太明显。      

实体元空心叶片鸟撞流固耦合 研究及数值模拟

针对大涵道比航空发动机工作过程中常见的鸟撞问题,基于MSC.Dytran软件,研究了实体元平板鸟撞流固耦合数值模拟方法;在此基础上,建立了鸟撞实体元空心叶片转子级有限元模型,模拟了叶片遭受鸟撞发生失效的过程,并进行相应计算。结果表明:鸟体密度、叶片的屈服应力和硬化模量对叶片初始撞击应力响应峰值的影响较大,且屈服应力和硬化模量的增加分别会提高和减小恒定流动的应力峰值;鸟体体积模量对叶片应力响应的影响较小;叶片的弹性模量的增加对叶片初始撞击应力响应峰值的影响较小,但会显著提高恒定流动的应力峰值。     

加热表面水珠运动特性研究

为研究加热表面的水珠运动特性,提出了加热表面水珠的几何参数、受力及其运动过程的计算方法。试验获得了水珠的表面阻滞力、黏性阻力和气动力计算关系式中的相关系数,给出了不同风速条件下水珠运动的临界直径,进行了加热表面水珠运动试验并对其过程进行了数值计算。试验结果表明：水珠的无量纲表面阻滞力保持恒定,运动时受到的黏性阻力与其运动速度和宽度有关,在外流场作用下所受的气动力可采用修正圆球阻力公式进行计算。将试验获得的相关系数加入水珠运动模型中,对加热表面水珠运动过程进行数值计算,计算结果与试验结果吻合,说明本文所述方法能够准确地模拟加热表面水珠大小和位置随时间的变化。     

基于结构网格的操纵面嗡鸣数值研究

利用无限插值法生成结构化动网格,耦合求解欧拉方程与结构方程,分别模拟了二维带操纵面翼型以及三维NASP机翼周围跨音速流动。对二维带操纵面翼型嗡鸣发生时的流场进行了分析,发现操纵面上的激波后会产生巨大的分离区,且分离区的变化过程滞后于激波变化过程,认为缝隙的存在对嗡鸣发生有促进作用;对三维NASP机翼的研究发现操纵面质量比的增加可以延缓嗡鸣发展。     

起落架落震试验飞机机轮三向冲击位移的动态测量

为了研究飞机起落架受冲击载荷时的功量吸收状况，须在起落架落震试验中，对飞机着陆瞬间起落架机轮在空间三个方向上冲击位移的动态变化量进行测量。为此，本文设计了四自由度空间定位装置，并使其与计算机连接，实现了落震试验过程中，起落架在高速冲击状态下机轮三向位移的有效测量与记录。     

进口热斑对涡轮级影响的非定常数值模拟

通过求解二维N-S方程对涡轮级进口有温度畸变时的流场和温度场进行了非定常数值模拟。由于叶排间的相互运动,使叶片表面压力和叶栅通道内的流场呈周期性地变化;当涡轮进口有热斑时,热斑中的气流总温要高于周围气流温度,在通过涡轮级时,热斑中的高温气流会向转子压力面上迁移,导致转子压力面上产生热点。热斑的存在对涡轮级中的压力分布影响很小,但是严重影响温度场的分布。同时进口热斑相对导叶的位置对叶片表面温度的分布也有很大影响。      

民机机头复合材料风挡结构鸟撞分析

在鸟体撞击风挡结构过程中,鸟体与风挡结构撞击相对速度很大,呈现出流体特性,属于典型的流固耦合瞬态冲击动力学问题。首先针对文献中的鸟撞铝板试验采用任意的拉格朗日-欧拉(ALE)流固耦合方法进行了分析,对计算方法与鸟体模型进行了验证。然后建立了包括风挡玻璃、风挡骨架以及蒙皮在内的民机全尺寸风挡结构抗鸟撞动响应分析的有限元模型,进行了鸟撞数值模拟,其中风挡骨架与蒙皮采用复合材料。全尺寸的复合材料风挡骨架目前还没有应用到民机上,因此,对复合材料风挡结构的研究是很有意义的。     

GLARE加筋壁板弹头冲击数值仿真分析

采用ESI公司的PAM-CRASH软件进行GLARE材料加筋壁板的弹头冲击损伤数值仿真分析.运用CDM模型,最大应变准则,JOHNSON-COOK本构模型建立了合理的纤维金属层板分析模型,利用国外试验数据对模型进行验证,在结果可靠的前提下分析了GLARE材料加筋壁板不同位置抗冲击性能的差异,计算结果表明,蒙皮背面的损伤要大于正面,且越靠近筋条的位置,结构件的抗冲击性能越好.