直升机中减三相流金属屑末可达性

直升机中间减速器（简称“中减”）在飞溅润滑下运转,轴承会因润滑不充分或磨损产生金属屑末,若油池底部的金属屑末信号器无法及时吸附报警则会导致直升机出现故障。为此,基于CFD理论,应用Fluent18.2软件建立中减固-液-气三相流模型,应用RNG k-?湍流模型及动网格技术,基于欧拉-拉格朗日耦合计算方法,采用VOF-DPM耦合模型仿真计算并分析金属屑末的可达性程度,且与试验获得了良好的一致性。结果表明,金属屑末在刚射入机匣内部时以其自身的运动状态为主导,在齿轮将润滑油完全搅动后以齿轮的运动状态为主导,并且运动的随机性与无序性极大,碰到机匣壁面反弹后会发生轨迹突变;所有金属屑末在机匣内均围绕齿轮有离心运动的趋势,且金属屑末的平均速度与距齿轮的距离呈非线性负相关;金属屑末在机匣内的可达性较弱,会在导油管的凹槽与回油孔口沉积,导致直升机无法达到实时报警监测,需对金属屑末易沉积的机匣结构进行改进。     

基于CFD-DEM算法的固体火箭发动机气-固两相流模拟

针对固体火箭发动机中含金属推进体系中颗粒冲刷烧蚀及推力两相流损失的难题,基于连续相-离散元(CFD-DEM)耦合模型,考虑颗粒间的碰撞力与非碰撞力以及颗粒-气流作用力等,对固体发动机中气-固两相流进行了数值模拟研究。研究结果表明,相比于传统的双流体模型及轨道法,CFD-DEM能提供更丰富的粒子尺度信息包括粒子的运动轨迹、颗粒间的碰撞、颗粒受力情况等等;以及粒子相与气相相互作用过程,粒子相与壁面相互作用等。粒子的碰撞在喷管收敛段壁面、喉部区域以及喷管扩张段中心区域发生,与壁面的碰撞在收敛段壁面位置,且颗粒在该区域角速度较大,气相-颗粒曳力最大值出现在气相加速区域。单个粒子尺度的流场数据为固体发动机气固两相流流场的认识提供了更加丰富的信息,并为粒子聚集聚合及对烧蚀层冲刷等提供研究基础。     

固体火箭发动机内气粒两相流动的SPH-FVM耦合方法数值模拟

为解决现有数值模型在求解固体火箭发动机内颗粒的燃烧流动等问题时所遇到的难题,基于拟流体模型,采用光滑粒子流体动力学方法 (SPH)求解离散颗粒相,追踪颗粒运动轨迹,采用有限体积方法 (FVM)对气体连续相进行描述,捕捉流场特性,两相间通过曳力、压力梯度、热传导、体积分数等参量进行耦合,建立了两种不同坐标系下方法间的耦合框架。耦合方法模拟了喷气推进实验室(JPL)喷管中气粒两相流动过程,得到了气相和颗粒相的参数分布规律,与相关实验结果及离散颗粒模型(DPM)数值模拟结果对比,吻合较好。针对Φ315mm实验发动机工作状态和结构特点,进行了发动机燃烧室内过载条件下的气粒两相流动数值模拟,分析了纵、横加速度载荷对发动机燃烧室内粒子场和聚集带的影响,与已有的数值模拟结果基本吻合。结果表明,新方法求解发动机气粒两相流问题准确可靠,适用于发动机内更为复杂的两相流问题数值模拟。     

直升机旋翼桨-涡干扰状态非定常气弹载荷高精度预估

为准确计算直升机旋翼在复杂的桨-涡干扰(BVI)状态下的气弹载荷,在刚性旋翼计算流体力学方法中引入桨叶弹性变形的影响,建立了一套适合于弹性旋翼BVI状态气动特性分析的计算流体力学/计算结构力学(CFD/CSD)耦合方法.CFD模块对Reynolds averaged Navier-Stokes(RANS)/Euler方程进行求解,并采用双时间法推进和Baldwin-Lomax(B-L)湍流模型.CSD模块采用中等变形梁假设的有限元模型,通过Newmark-Beta方法求解桨叶运动方程.通过代数变换方法进行桨叶网格变形,并建立一个适于流场/结构信息交换的CFD/CSD耦合方法.在分别验证CFD和CSD模块的有效性的基础上,开展UH-60A直升机旋翼的BVI 状态载荷分析,并与飞行测试数据进行了对比.计算结果表明:相比于旋翼综合分析中的升力线理论和刚性旋翼CFD方法,耦合的CFD/CSD方法可以更准确地预测BVI状态气弹载荷,并有效地模拟桨叶前行侧方位角和后行侧方位角附近的BVI现象,对BVI导致的升力波动幅值和相位的计算结果均与试验值吻合良好.      

基于CFD耦合DEM并行算法的旋翼飞行器桨叶沙盲现象模拟分析

旋翼飞行器处于地效（IGE）悬停状态易吸入沙尘从而引起沙盲现象。为了研究出现沙盲现象时的悬停流场与沙尘的运动规律,采用基于雷诺平均 N-S 方程及 k-ω（SST）湍流模型,结合计算流体力学（CFD）与离散元（DEM）耦合并行算法,使用 Fluent 软件进行流场连续相计算;通过 API 传递流场信息至离散相,计算直升机旋翼的悬停流场,并与可得到的 PIV 测量结果进行对比;再将流场动量数据传输给离散相,计算沙尘的完整运动轨迹和颗粒分布。结果表明：在对流场精确模拟的同时,采用离散元方法对沙尘颗粒受力运动以及空间分布较好地模拟,能够多参数化地了解地效流场和细微沙尘颗粒受力运动规律,直观呈现沙盲的发展过程。     

激波与壁面粉尘相互作用的数值研究

本文采用厚边界层理论建立了考虑两相耦合效应的气固两相湍流边界层方程用以研究激波与壁面粉尘的相互作用。方程中考虑了压力梯度，Ｓａｆｆｍａｎ升力和湍流扩散等因素对颗粒飞行轨迹的影响，并用Ｍｉｒｅｌｓ方程作为边界条件使方程组封闭可解。数值计算时，经适当变换的气相方程组用ＢＯＸ格式，拉格朗日坐标中的颗粒相方程用Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔｔａ法，而源项则用颗粒源法和求质量加权的平均值获得。计算结果与某些实验结果较为     

CFD软件-PHOENICS及在燃气涡轮流场计算中的应用

了解不同CFD软件,是选好CFD软件、并经济地解决问题的关键.本文从离散方法、求解过程、湍流模型、两相流处理、结果输出等方面对Phoenics软件作一解读,并给出某燃气轮机内气固两相流动的流场计算和颗粒轨迹计算实例,以Eulerian-Lagrangian方法的成功应用,验证了Phoenics软件较强的适用性.     

直升机中减飞溅润滑流场分析与优化方法

为探究某型直升机中间减速器飞溅润滑油-气两相流分布与参数优化方法,首先基于计算流体力学（CFD）思想建立了中减飞溅润滑数值计算模型;采用多相流（VOF）及动网格等模型计算获得了机匣内部的油液分布与导油管的润滑油流量;分析了浸油深度和输入转速对齿面与轴承（通过导油管的润滑油流量体现）润滑效果的影响规律。然后在直升机中减传动试验台上开展试验,验证仿真的可行性。结果显示：建议的中减浸油深度为17~26 mm、输入转速为4 000~6 000 r/min;试验测得4个导油管的润滑油流量趋势与CFD仿真计算结果一致,且有一个导油管收集不到润滑油,说明该导油管的结构不合理。     

星孔型装药发动机三维两相流场的数值模拟

为了研究颗粒在星孔型装药固体火箭发动机燃烧室和喷管中的运动轨迹以及颗粒与发动机壁面的碰撞情况,针对可压两相流动,采用了高雷诺数下的k ε湍流模型和欧拉 拉格朗日两相流模型,用全速度SIMPLE方法对方程组进行求解,并用PSIC方法进行气固耦合计算。计算得出了流场内两相的速度、温度等参数的分布及多种情况下固体颗粒的运动轨迹。在燃气生成量确定的情况下,从距离喷管较近的某些位置进入流场的颗粒比较容易撞击壁面;颗粒的尺寸和局部产生的旋涡对颗粒的轨迹和碰撞也会产生较大的影响。     

用双流体模型模拟湍流两相流场

首先针对颗粒浓度在两相流动中的重要性，建立了颗粒体积浓度方程，阐述了颗粒浓度在求解过程中的特点及颗粒体积浓度方程在计算方法中的贯穿。其次计算了沙层上的稀相可压气固两相流、直管内的不同压液固两相流及叶片扩压器中的密相可压力固两相流的流动，发现了颗粒浓度两种截然不同的分布，并验证了用不可压或稀相的模型来计算可压或密相的模型会带来误差，说明了在计算可压密相两相流动时，可压及密相的因素必须考虑到。     

应用于直升机/舰动态配合的 舰面流场建模仿真关键技术

直升机/舰动态配合是舰载直升机飞行安全的重要课题。首先,对动态配合过程中涉及的因素进行了分析和讨论,得出对旋翼尾流场和舰面流场耦合求解的简化方案;然后,以某舰和直升机为例,对其舰面流场仿真关键技术进行了描述,主要内容包括舰面流场的CFD仿真、针对动态配合对舰尾流进行重构等,并对典型的直升机起降轨迹进行了描述;最后,通过有关直升机/舰动态配合流场计算仿真的途径和方法得出了若干结论,可为该领域研究者提供参考。     

Extension of the low diffusion particle method for near-continuum two-phase flow simulations

The low diffusion (LD) particle method, proposed by Burt and Boyd, is modified for the near-continuum two-phase flow simulations. The LD method has the advantages of easily coupling with the direct simulation Monte Carlo (DSMC) method for multi-scale flow simulations and dramatically reducing the numerical diffusion error and statistical scatter of the equilibrium particle methods. Liquidor solid-phase particles are introduced in the LD method. Their velocity and temperature updating are respectively, calculated from the motion equation and the temperature equation according to the local gas properties. Coupling effects from condensed phase to gas phase are modeled as momentum and energy sources, which are respectively, equal to the negative values of the total momentum and energy increase in liquid or solid phase. The modified method is compared with theoretical results for unsteady flows, and good agreements are obtained to indicate the reliability of the one-way gas-to-particle coupling models. Hybrid LD-DSMC algorithm is implemented and performed for nozzle discharging gas-liquid flow to show the prospect of the LD-DSMC scheme for multi-scale two-phase flow simulations.     

双转子轴间滑油颗粒运动轨迹参数化模型

为研究双转子轴间滑油颗粒运动对环下润滑收油效率及轴承腔油气分离效率的影响,建立了对转轴间在边界层流场结构下基于质点运动学的滑油颗粒运动轨迹参数化模型,并采用经实验验证的计算流体力学（CFD）数值计算结果进行验证。双转子轴间的边界层流场结构的确定运用了对湍流边界层卡门三层结构速度分布进行修正的方法。结果表明：给出的参数化模型可以很好地描述双转子轴间的滑油颗粒运动规律。直径较大的颗粒径直或沿弧线迅速到达外轴,而直径较小的颗粒中存在一个在给定停留时间内使颗粒无法到达外轴的最大直径,小于这一临界直径的颗粒在有轴向气流时将被吹离轴间环腔。     

Mathematical modeling of an optimal controlled helicopter flight at vertical regimes

The investigation results on developing a mathematical model of the controlled helicopter flight along the vertical trajectory are presented. For motion optimization the direct approximate method is used. The optimizing functional consists of two main parts: the first part is proportional to the motion time; the second part contains penalties for trajectory constraint violation. The examples of calculations and the results of numerical studies are given, the parameters of optimal program reference trajectories are obtained for the helicopter type chosen.     

风沙流中近床面沙粒三维运动的LES-DEM分析

采用自行开发的大涡模拟( Large-Eddy Simulation,LES)和离散单元法(Discrete Element Method,DEM)耦合的数值计算程序,对风沙气固两相三维运动进行了数值模拟.对近床面沙粒的起跳速度、起跳角、入射速度和入射角的概率分布,以及沙粒展向速度的分布做出统计分析.结果显示:本文所建立两相耦合数值模型,能够复现风沙输移中散体沙粒的运动特征；入射速度和起跳速度服从对数正态分布,并随着来流平均风速增大,概率分布呈现集中趋势；入射角、起跳角分别集中在10°和15°左右,表明沙粒动能向垂直方向转移的趋势；沙粒的展向速度的随来流风速增大而更加显著.     

长尾喷管中粒子运动轨迹的数值模拟

利用颗粒轨道模型计算了长尾喷管两相流流场,确定了在与壁面发生完全弹性和完全非弹性碰撞情况下不同尺寸粒子的运动轨迹,比较了不同尺寸粒子之间以及完全弹性碰撞和非弹性碰撞之间长尾喷管中粒子运动的差异,得出了长尾喷管中粒子运动的某些规律。      

平面叶栅内固体粒子运动特性的研究

在利用高速摄影技术获得固体粒子在平面叶栅内运动特性的基础上, 采用Lagrangian轨迹法分别在考虑与不考虑边界层影响的情况下, 计算了固体粒子在叶栅内的运动轨迹和速度。通过与实验结果的比较发现:在利用Lagrangian法计算固体粒子的运动特性时, 对于尺寸比较大的粒子可以不考虑边界层的影响, 而对于尺寸比较小的粒子则需考虑边界层的影响。      

风驱雨CFD模拟及平均雨荷载计算方法研究

基于谐波叠加法,用Kaimal谱生成空旷场地的脉动风速时程,将脉动风速时程作为流场CFD模拟的速度入口。采用分离涡模型模拟脉动风场并用离散相模拟雨滴颗粒,通过风雨耦合的CFD模型,获得雨滴落在输电塔各高度处的雨滴速度以及时间,并依据冲量定理和冲量等效原则,提出了任一时距的平均雨荷载计算方法。以176m高的输电塔为例,计算出作用在输电塔上以0.25s为时距的平均雨荷载。研究了水平风速和降雨强度对平均雨荷载的影响,结果显示:水平平均雨荷载随水平风速和降雨强度的增加而增加,但水平平均雨荷载与风荷载的比值沿高度增加而递减;尽管单粒雨滴荷载较大,但作用时间只有大约1×10-5s,依据冲量等效原则计算得出在一定时距内的平均雨荷载较小;对于本文算例,平均雨荷载与平均风荷载的比值不超过2.6%。     

TiAl合金粉末射频等离子体球化过程数值模拟

采用数值模拟的方法对TiAl合金粉末的射频(radio frequency)等离子体球化过程进行研究,分析速度场和温度场对不同粒径TiAl合金粉末的运动轨迹及质量变化的影响。结果表明:粉体颗粒在等离子体的高温作用下温度急剧升高,表面蒸发导致粒径降低,太小的颗粒很快蒸发消失掉;在冷却塔下端,不同粒径颗粒的运动轨迹存在较大差异,小颗粒倾向于随气流进入气流出口,大颗粒落到冷却塔底部被收集;增大气流量会提高球化系统中的气流速度,导致在气流出口能被气流带走的颗粒粒径变大,收粉率降低;模拟得到TiAl合金粉末球化后的粉末粒径分布、平均粒径及收粉率等参数与实验结果比较接近,模型能够较好地符合实际球化过程。