碳氢燃料热声不稳定流动特性和边界实验分析

为保障空-油换热器安全稳定运行,对竖直上升圆管内超临界压力航空燃料的热声不稳定流动进行了实验研究。阐述了管壁温度的振荡特征和热声不稳定流动的诱发原因。考察了运行参数对流动稳定工况和流动不稳定工况界限的影响。取相邻流动稳定工况和流动不稳定工况的热流密度平均值作为边界,分析了该边界随进口拟过冷度的变化情况。通过临界拟相变数和拟过冷度数的比值表征,建立了热声不稳定流动边界与进口雷诺数和相对压力关联的预测准则。结果表明:拟沸腾效应导致了热声不稳定流动现象。进口温度和运行压力越低,热声不稳定流动越容易出现。提出的边界预测准则具有较高的精度,与实验结果的相对偏差在±15%以内。     

广义Burgers方程声爆传播模型高阶格式离散

声爆预测技术是研制新一代环保型超声速民机的关键技术之一。针对当前基于广义Burgers方程的声爆远场传播模型的数值求解格式精度较低的情况,开展了高阶格式离散方法研究。通过分析该模型中各效应项的物理性质,应用合适的高阶精度格式对各项分别进行离散求解,并采用经典几何声学射线法计算声爆传播路径,实现了对地面声爆波形的精准预测。通过对美国F-5E机型的声爆飞行试验和第二届国际声爆预测研讨会的典型算例进行数值模拟,验证了本文高阶离散方法的可靠性。进一步的结果分析表明,采用高阶离散格式的预测方法相比传统二阶精度预测方法具有明显的低耗散特性,在同等网格数目上可获得更高分辨率的计算结果,且其网格收敛性远优于传统二阶精度格式,同时在计算效率上也有一定优势;在Burgers方程的各效应项中,非线性项的影响更为明显,因而采用高阶离散格式时其优势更为突出;热黏性吸收项对数值结果影响较小,采用高阶离散格式对计算精度的提升效果也不明显,实际计算中仍可以采用传统离散格式,甚至忽略该项的贡献。     

一种基于数值计算的轴流压气机旋转失速稳定性模型——之二:简化模型及应用

提出了一个基于直接数值计算结果基础上的旋转失速线性稳定性模型,描述了如何从基本的Navier-Stokes方程出发,把轴流压气机流动稳定性问题转化为一个特征值问题的基本理论框架,对压气机不稳定边界的判断通过计算和检验特征值的方式来实现,给出了有限差分法和基于Gauss-Lobatto节点的谱配置方法两种数值离散的方式,并分析了这两种离散方式的收敛特性.     

航空发动机燃烧室热声不稳定的预设性能控制

为降低航空发动机燃烧室NOx的排放量，贫油预混的燃烧模式被广泛采用，但这将导致燃烧不稳定现象更加频繁地发生。航空发动机燃烧不稳定的能量来自于推进剂的燃烧，热声不稳定是其最主要的一种形式。为抑制热声不稳定现象，首先，在Culick模型的基础上，加入火焰燃烧响应对系统的影响，推导出含状态时滞的热声不稳定的数学模型；其次，基于此模型探究了从燃料喷射到燃烧释放热量的对流时间对热声系统稳定性的影响；然后，设计了预设性能反步主动控制方法，并求解得到在保证系统预设性能的前提下该对流时间的上界；最后，从理论分析和仿真结果两方面都验证了该主动控制方法可使热声不稳定系统的压力振荡渐近收敛，其动态满足预先设定的性能，且具有时滞鲁棒性。     

一种基于数值计算的轴流压气机旋转失速稳定性模型——之一:理论模型及算法分析

本文提出了一个基于直接数值计算结果基础上的旋转失速线性稳定性模型,描述了如何从基本的Navier－Stokes方程出发,把轴流压气机流动稳定性问题转化为一个特征值问题的基本理论框架。对压气机不稳定边界的判断通过计算和检验特征值的方式来实现。本文给出了有限差分法和基于Gauss－Lobatto节点的谱配置方法两种数值离散的方式,并分析了这两种离散方式的收敛特性。     

基于声学特征信号提取的燃烧不稳定性试验研究

为研究航空发动机燃烧不稳定时的声学特征,对发动机燃烧室进行了燃烧不稳定状态下的声学测试试验。测试结果表明,燃烧不稳定现象发生时会伴随着明显的离散单音声学特征信号出现。采用特征频率信号加强的奇异值分解法对离散单音声学特征信号进行提取及分析,得出该型发动机燃烧室不稳定燃烧时的声源位置位于火焰筒内的火焰区域,声波传播为纵向传播,声模态为一阶纵向模态。可为今后航空发动机燃烧不稳定性研究提供参考。     

加力燃烧室热声振荡纵向传播特性及控制

建立了管道声传播与不稳定热释放耦合的热声振荡理论模型,并用来对复杂的航空发动机加力燃烧室中的纵向传播的振荡特征频率及稳定性进行分析和预测.利用二维定常计算流体动力学(CFD)模拟结果获得流动平均参数,在此基础上讨论了加力燃烧室内热释放位置、隔热屏穿孔率等结构的变化对热声振荡特性的影响,表明该模型能够方便地应用于对加力燃烧室热声振荡影响因素的研究并揭示某些控制规律.      

航空发动机环形燃烧室噪声频谱分析及声激励源识别研究

论述了燃烧室的声激励源、环形燃烧室内高阶声模态及其截止频率。综合分析了燃烧室冷吹和热态各工况噪声测试结果。对声激励的高能量区、燃烧噪声主峰以及一些重要的离散频率分量进行了分析和识别。     

热声载荷作用下薄壁结构非线性响应分析和试验验证

针对热声载荷作用下薄壁结构大挠度非线性响应问题,开展了固支约束金属薄壁板结构热声激励试验及数值模拟分析。通过计算结果与试验结果对比,表明两者结果存在一致性,进而验证了薄壁板在热声载荷作用下动态响应计算方法和数值模型的有效性。在此基础上,针对加筋板结构完成了多种热声载荷组合作用下的动力学响应计算,获得了时域位移响应。重点对该结构在后屈曲状态下的3种典型振动形式进行分析,总结出热载荷与声载荷之间的相对强度决定了板的不同跳变形式。采用统计分析方法建立了位移响应的概率谱密度函数（PDF）并绘图,清楚地显示了后屈曲板的PDF表现出双峰现象。使用功率谱密度（PSD）函数分析了响应频率和峰值随着温度升高的变化,并确定了板的软化和硬化区域。总结了屈曲前/后结构特定区域拉应力和压应力的变化规律,并阐述了造成这种变化的原因。本文工作可对热声载荷作用下薄壁结构响应分析和动强度设计提供参考依据。     

多模态热声不稳定混沌现象实验研究

热声不稳定是一种常发生在航空航天发动机中,会对发动机造成危害的现象,该现象实质上是声波与非定常热释放的相互耦合。本文设计了一个多孔预混火焰Y型里开管（Rijke管）装置,用以研究多频率非线性热声不稳定性。这种简化燃烧室结构能够很好捕捉真实发动机中由于复杂几何结构引起的多模态热声不稳定性。通过改变火焰的当量比和其在Y型里开管上游的位置,来遍历燃烧室中不同热声振荡行为,并结合短时傅里叶变换（STFT）、相空间重构等方法分析了不同非线性热声振荡行为,发现在改变工况时,会出现高频极限环状态、高频向低频的模态转换状态、低频极限环状态、准周期状态以及混沌状态等现象,而在当量比为0.94的工况下会出现两个不稳定频率模态争夺的实验现象,在实验结果基础上,深入分析了这些非线性现象的成因。     

A refined design method for precoolers with consideration of multi-parameter variations based on low-dimensional analysis

The precooler is a distinctive component of precooled air-breathing engines but constitutes a challenge to conventional thermal design methods. The latter are based upon assumptions that often reveal to be limited for precooler design. In this paper, a refined design method considering the variations of fluid thermophysical properties, flow area and thermal parameters distortion,was proposed to remediate their limitations. Firstly, the precooler was discretized into a fixed number of sub-microtu...     

涡轮级均匀与非均匀进口熵条件下声场数值研究

通过在涡轮级进口周向上设置周期性总温分布,将转静干涉以及进口温度不均匀分布对声场的影响分离到各个周向模态上。通过均匀进口熵条件以及非均匀进口熵条件下的两个算例进行比较,直观的得出涡轮进口非均匀熵对涡轮转子后的声场的影响。算例结果表明：在只受周期进口总温分布影响的周向模态上,非均匀进口熵条件对声场的影响明显。相比均匀熵进口条件,非均匀熵进口条件下的总声功率级,一倍叶片通过频率下BPF增加约0.23 dB,二倍叶片通过频率增加约2.64 dB,通过数值方法验证了间接燃烧噪声。     

周向非均匀流动引起的转子动力学载荷分析

以轴流涡轮为分析对象,分析了流动沿周向分布不均匀的条件下涡轮转子受到的气动载荷。假设涡轮级内的流动沿周向呈1次谐波形式的余弦函数分布,考虑转子叶片叶顶间隙,利用双耦合激励盘模型描述叶片通道中的流动,采用谐波分析方法求得涡轮转子受到的气动载荷。分析了不同轴向位置处、不同非均匀流动参数的影响,讨论了转子偏心所产生的非均匀流动,给出了非稳态流动条件下的气动载荷。结果表明:1次谐波形式的非均匀流动会产生附加载荷作用于转子,从而影响转子的动力学性能;非稳态不均匀流动会影响附加载荷的大小,但不改变其在动坐标系中的方向。     

石英灯阵模拟非均匀气动加热的功率优化

针对结构热试验非均匀热环境模拟的精细化需求,以石英灯阵热流分布理论解析方法为基础,建立了基于线性分析模型的石英灯阵功率快速优化方法,对石英灯阵模拟非均匀气动加热的功率优化问题进行了分析研究。结果表明：线性分析方法可以快速有效地优化石英灯阵功率,对于比较平缓的热流分布可以获得较好的优化结果,对于大梯度热流分布也能获得与遗传算法较为一致的热流优化结果和规律;模拟非均匀气动加热的功率优化结果对热流输入比较敏感,需要通过优化来选择合适的测点范围和测点数量得到相对稳定的系数矩阵。相关研究结果对模拟非均匀气动加热的石英灯阵功率优化设计具有重要参考意义。     

Analysis of swirling flow effects on the characteristics of unsteady hot-streak migration

The temperature of flow at the combustor exit is inherently non-uniform and the hot fluid is called hot-streak. An in-house CFD software, NUAA-Turbo, was used to carry out 3D unsteady simulations on the PW-E3 single-stage high-pressure turbine. The hot-streak effect based on real stator and combustor counts was approximately evaluated by the contraction/dilatation method on the interface. The unsteady attenuation and migration process of hot-streaks in the tur-bine passage were well captured. The general performance parameters for different circumferential positions of hot-streaks were relatively consistent. Then, the influences of hot-streaks on blade sur-face temperature were investigated by comparing results under hot-streak and uniform inflow con-ditions. Unsteady simulations with combined inlet hot-streak and swirling flow show that the core of a hot-streak migrates to the tip under the influence of a positive swirl, while the phenomenon is just opposite with a negative swirl. Therefore, the heat transfer environment of rotor blades shows great differences with different directions of inlet swirl.     

Damage localization effects of the regeneratively-cooled thrust chamber wall in LOX/methane rocket engines

To investigate the damage localization effects of the thrust chamber wall caused by combustions in LOX/methane rocket engines, a fluid-structural coupling computational methodology with a multi-channel model is developed to obtain 3-demensioanl thermal and structural responses. Heat and mechanical loads are calculated by a validated finite volume fluid-thermal coupling numerical method considering non-premixed combustion processes of propellants. The methodology is subsequently performed on an LOX/methane thrust chamber under cyclic operation. Results show that the heat loads of the thrust chamber wall are apparently non-uniform in the circumferential direction. There are noticeable disparities between different cooling channels in terms of temperature and strain distributions at the end of the hot run phase, which in turn leads to different temperature ranges, strain ranges, and residual strains during one cycle. With the work cycle proceeding, the circumferential localization effect of the residual strain would be significantly enhanced. A post-processing damage analysis reveals that the low-cycle fatigue damage accumulated in each cycle is almost unchanged, while the quasi static damage accumulated in a considered cycle declines until stabilized after several cycles. The maximum discrepancy of the predicted lives between different cooling channels is about 30%.     

涡轮级三维粘性流场的数值模拟

本文给出了一种求解涡轮级三维定常粘性流场的计算方法,并对某型航空发动机的高压涡轮进行了数值模拟。该计算程序考虑到了涡轮级工作温度范围较大而引起的变比热问题。文中采用了三阶精度的TVD格式和B-L湍流模型。叶列间参数的传递采用了“混合平面”法。叶列间处理采用外推无反射边界条件来保证参数在交接面上的周向不均匀。同时在交接面上构造了Riemann解和使用松弛因子来提高程序在叶列间小间隙情况下的稳定性。      

一种再生冷却面板的温度控制热设计方法

通过分析再生冷却通道的换热特性及其影响因素,基于材料许用温度限制,提出了一种再生冷却面板的温度控制热设计方法.通过设计冷却面板的通道结构,改变通道的传热性能,使冷却面板内不同位置的通道具有不同的冷却能力.采用有限体积法结合蒙特卡罗法及对流换热实验关联式,数值模拟了温度控制热设计方法下再生冷却面板的冷却作用,结果显示该方法在适应非均匀热流密度分布的同时满足结构材料的许用温度限制,保证了结构的热可靠性.      

热边界对封严篦齿性能影响的数值计算

为了解热边界对封严篦齿的流动特性的影响,本文采用标准k-ε模型QU ICK格式、非结构化网格和S IM PLE算法,数值模拟了模化的热态封严篦齿的流动特性。求解了速度场、温度场和压力场,分析了流场特性。计算结果表明:不同压比下,热边界热流增加泄漏减小,增强了封严效果。热流密度对泄漏系数的影响规律基本呈线性变化关系。热量传递的不均匀性会导致篦齿腔内出现小旋涡,也增强了封严效果。小旋涡出现位置和旋涡大小与热边界端面的传热量和封严段前后压比有关。