基于POD降阶模型的非接触端面密封动态监测原理及仿真

 端面密封动态性能模型的多维求解复杂性限制了对密封的实时动态监测,为此建立了基于本征正交分解(POD)方法的密封性能求解降阶模型,以获取实时的密封性能特征参数,包括非接触密封微小间隙产生的液膜轴向力及沿着不同方向的液膜力矩.基于降解模型提出了非接触端面密封动态监测的原理,并分析了不同液膜振动频率下的降阶模型的计算误差,完成了对一组不同密封间隙及液膜振动频率下的水润滑端面液膜轴向力及力矩的数值仿真.研究结果表明提出的基于POD降阶模型的非接触端面密封动态监测能达到较高的分析精度,这对于非接触端面密封的动态控制及研究瞬态启动过程中的密封动静特性具有重要的作用.     

基于大涡模拟的离心式喷嘴雾化过程研究

为实现离心式喷嘴雾化过程的精确数值仿真,探究喷嘴内部流动特性与外部液膜破碎形式,采用基于大涡模拟的仿真方法,对一种典型的四进口离心式喷嘴进行研究,仿真结果揭示了喷嘴内部相界面的振荡现象与外部液膜的破碎细节,并通过耦合流体体积法（VOF）与离散相模型（DPM）,获得液滴粒径的空间分布特征。研究结果表明：在液体填充过程中,喷嘴内的气液相界面存在波动与褶皱,形状并不稳定,内部的空气芯直径呈现正弦模式的振荡变化,喷嘴出口液膜厚度沿周向分布不均,这些因素导致出口附近的液膜表面出现扰动。在不同的进口条件下,不稳定性导致液膜表面上的扰动波形式不同。进口压力为0.3MPa时,液膜破碎由开尔文-亥姆霍兹（K-H）不稳定性产生的轴向正弦波所导致,产生沿周向分布的环形液带;在0.7MPa下,液膜表面开始出现由瑞利-泰勒（R-T）不稳定性引发的周向扰动波;随着压力增加至1.1MPa,液膜的破碎则由R-T不稳定性主导,产生沿轴向分布的液带结构,随后在气动力与表面张力的作用下破碎成液滴。二次雾化破碎后,喷嘴外部截面内的粒径呈“单谷”分布,液滴平均粒径计算结果与实验的最大相对误差为5.1%,与实验数据吻合度较高。     

小孔节流动静压混合式浮动环密封承载与泄漏特性分析

为了解决传统浮动环密封存在的摩擦磨损问题,提出一种采用小孔节流的动静压混合式浮动环密封(HFRS)。核心是通过创新设计将密封介质从径向节流孔引入密封界面,使密封间隙内的流体膜同时具有静压和动压承载效应,显著提升浮动环密封承载性能而不需要外部条件。为了研究其承载和泄漏特性,建立了考虑入口压力损失和节流孔影响的HFRS承载力模型和泄漏量计算方法。采用有限差分法(FDM)及数值迭代程序计算流场压力分布,并分析获得转速、偏心率和密封介质压力对承载力、刚度、偏位角和泄漏量的影响规律。与传统直孔式浮动环密封(FRS)对比,在典型工况下（偏心率ε=0.5、转速Ω=20000r/min）,HFRS的承载力是FRS的2.53倍,且在低速甚至转速为零时HFRS仍具有较大的承载力,另一方面HFRS的泄漏量比FRS大5.4%。与FRS对比结果表明,HFRS的承载力显著提升,而泄漏量略有增大。     

考虑稀薄气体效应的止推箔片轴承静特性分析

以波箔型气体止推箔片轴承为研究对象,基于1阶滑移速度边界条件,建立了考虑稀薄气体系数的修正雷诺方程.结合Newton-Raphson迭代法和有限差分法,耦合求解Reynolds方程和润滑膜厚度方程,仿真获得了止推箔片轴承的轴向承载力、起飞转速等静态性能,并研究了稀薄气体效应和轴承结构参数对止推箔片轴承静态特性的影响.结果表明:稀薄气体效应将使止推箔片轴承的轴向承载力减小,起飞转速增大,且稀薄气体效应的影响随轴承工作转速、箔片变形柔度系数的提高有所减弱;止推箔片轴承的安装间隙小于10μm时,起飞转速随安装间隙的减小急剧增大,因而在止推箔片轴承装配时须严格控制轴向间隙.      

敞口式离心喷嘴液膜动态填充及打开过程研究

为了揭示敞口式离心喷嘴液膜填充及打开过程,采用两相界面追踪方法 VOF(volume of fluid)模拟了喷嘴内部及近喷口区域流动过程,计算得到的喷雾角和试验结果偏差不超过2%。计算结果表明:喷嘴内部填充过程中,自切向孔下游至喷嘴出口液膜厚度缓慢增加,在喷嘴出口处液膜厚度大幅度降低,呈非线性发展;相应地,切向孔截面空心涡经历了正方形-花瓣形-圆形的演化历程;喷口边缘处表面张力占主导,此时液膜较厚,因此液膜刚流出喷嘴时并没有立刻打开,而后变薄、失稳、脱落、破碎并部分聚合,随着时间推移,喷嘴出口液膜形态依次经历了铅笔形、洋葱形、郁金香形和完全发展形四种形态,与稳态下喷注压降改变时喷雾形态变化相一致。     

离心式喷嘴液膜破碎过程实验

为了研究离心式喷嘴出口液膜破碎以及雾化锥角变化规律,对直径2.5~6 mm之间6个不同直径、不同几何特性参数的离心式喷嘴运用高速阴影设备进行实验,喷注压降从0.1~3 MPa,每次实验间隔0.2 MPa。通过实验,得到液膜破碎长度、液膜锥角随喷注压降、喷孔直径以及几何特性参数的变化规律。随着喷注压降的增加,液膜破碎长度减小,液膜锥角增大,该种类型喷嘴破碎长度在40 mm左右,液膜锥角不大于60°;随着几何特性参数A值增加,同一喷注压降下的液膜破碎长度增大,液膜锥角增加;将液膜锥角实验结果与Abromvich,Lefebvre等理论公式进行了比较,在常用的喷嘴特性参数范围内,液膜锥角的变化趋势与理论公式相吻合,但实验值远小于公式计算值。     

切向孔单/双排布局对离心式喷嘴锥形液膜雾化特性影响

为了研究切向孔单/双排布局对离心式喷嘴雾化性能的影响,采用高速摄影仪对两种结构喷嘴形成的锥形液膜进行了拍摄分析,测量了不同压降下液膜的破碎长度、喷雾锥角、出口轴向速度以及表面波破碎点波长等雾化性能参数,并使用这些性能参数作为初始条件,求解了锥形液膜色散方程。结果表明:双排切向孔布局使得液膜雾化性能变差,体现为相同压降下喷雾锥角减小1°~2°,破碎长度增大,增大幅度最大达8.2%;色散方程求得的破碎点波长理论值与试验值吻合较好,验证了所用液膜破碎模型的有效性;单排切向孔喷嘴形成液膜的主导扰动波增长率大于双排切向孔喷嘴的主导波增长率,从直观上解释了单排切向孔喷嘴破碎长度小于双排切向孔喷嘴的原因。     

涡轮叶栅叶冠泄漏流动数值研究

以小展弦比涡轮叶栅为研究对象,利用三维数值计算的方法研究了篦齿数、篦齿排列型式、上下游压力以及径向间隙对叶冠泄漏流量的影响,并分析了泄漏流动与主流的相互作用.研究表明,叶片排上下游压比和径向间隙是影响叶冠泄漏流动的主要因素,篦齿数和篦齿排列型式对泄漏流量的大小和出口气流角均有重要影响.考虑了主流的影响之后,叶冠出口流动呈现出高度的三维性和周向不均匀性.在周向压力梯度的作用下,径向速度以正负交替的形式出现,而且周向速度和轴向速度则出现了明显的分层结构.     

动压轴承流固界面非一致滑移流动分析方法及分布特征

为解决机载大过载、大偏心下动压轴承微间隙变尺度流动的分析问题，在推演局部剪应力计算滑移速度方程基础上，建立了剪应力方程、滑移修正雷诺方程、弹流润滑气膜厚度方程耦合迭代的界面非一致滑移流动分析方法。对比研究了非一致滑移模型与传统模型滑移流场的差异，以及周向非一致滑移速度演化规律，结果表明：非一致滑移模型可以获得与局部克努森数更相符的滑移速度分布，局部滑移对气膜压力的最大影响为10.6%，气膜压力分布数值与实验结果符合度好；随轴承数和偏心率增大，箔片侧与轴面侧依次出现滑移，滑移区域沿周向从最小气膜厚度处周向扩张且滑移速度不断增大，轴面侧滑移区域面积比箔片侧大，最高约为箔片侧的2倍。     

内直外旋气液同轴式喷嘴流量及雾化特性

针对气体中心直流、液体涡流器离心式内缩进气液同轴喷嘴,采用高速摄影和PDPA测量了其流量和雾化特性。发现在常温常压下,喷嘴流量近似与喷注压降的0.477次方成正比。喷嘴喷雾场为空心锥形,雾化角约为110°,随液体压降增加,雾化锥角增大。液体压降不变,雾化锥角受中心气体卷吸作用随气体压降增加而减小。液膜破碎距离与雾化锥角有关,雾化锥角越大,液膜破碎距离越短,反之亦然。随径向距离增加,雾化液滴轴向速度、径向速度减小,SMD先增大然后略有减小,沿径向呈"马鞍"状双峰分布;随轴向距离增加,粒子轴向速度减小,SMD减小。     

用于转子系统的气膜密封阻尼结构稳态特性

针对航空发动机转子既转动又进动的运转情况,推导用于转子系统的带金属橡胶弹性外环的气膜密封阻尼结构(gas film seal damper,GFSD)雷诺方程.基于GFSD运动方程和位移协调关系,建立转子－气膜－金属橡胶三者之间的流固耦合关系,确定稳态压力场求解流程,并提出金属橡胶刚度的定量设计方法.采用有限差分法求解稳态压力场,研究GFSD工作参数和结构参数对稳态特性的影响,为GFSD结构参数设计提供参考,最后与直通式篦齿封严的泄漏量进行比较.结果表明:合理设计金属橡胶刚度能够使GFSD自适应地调节气膜间隙;在保证动压润滑的基础上,选取大长径比、小金属橡胶刚度和密封间隙能够使GFSD具有良好的稳态特性;GFSD的泄漏量远小于直通式篦齿封严,能够满足现代航空发动机中高进出口压比下的封严需要.      

箔片预变形对箔片气体径向轴承静特性影响分析

针对箔片预变形对波箔型气体径向轴承静特性影响进行了数值仿真研究.建立了考虑气体可压缩性、箔片预变形等因素的气膜厚度数学模型.运用牛顿迭代和有限差分法耦合求解Reynolds方程和气膜厚度方程,研究了箔片预变形对轴承气膜厚度分布、压力分布和承载能力等特性的影响.与有名义半径间隙情况的波箔型气体轴承特性对比分析,结果表明,有箔片预变形的波箔型轴承具有更好的旋转稳定性和轴承承载能力,同时有较大预变形的波箔型气体轴承具有更高的轴承承载能力.      

有限长椭圆瓦轴承油膜力近似解析模型

基于动态油膜边界条件,利用分离变量法求解Reynolds方程,获得了有限长圆瓦滑动轴承油膜压力分布表达式,推导了圆瓦轴承油膜力近似解析模型.在此基础上,根据椭圆瓦轴承油膜边界条件,建立了有限长椭圆瓦轴承油膜力近似解析模型.与有限差分法模型、长轴承模型、短轴承模型对比的结果显示,有限长椭圆瓦轴承油膜力模型能够适应任意长径比,且具有较高计算精度.基于给出的模型,利用Runge-Kutta法分析了刚性转子-椭圆瓦轴承系统的动力学特性,仿真结果表明,该模型能够较好描述椭圆瓦轴承油膜动力特性.      

厚顶箔的箔片动压轴承性能的数值研究

提出了一种具有厚顶箔特征的箔片动压轴承(TTF-GJFB),并对其进行了建模及分析。针对这种型轴承,采用Newton-Raphson迭代法求解静态气膜雷诺润滑方程和箔片受力方程;采用折合系数法和小扰动法,推导了厚顶箔轴承的动态刚度系数与动态阻尼系数。以此为基础,对厚顶箔轴承和传统箔片轴承进行了对比,并对初始轴承间隙、波箔宽度、顶箔质量对厚顶箔轴承动静态特性的影响进行了研究。结果表明:厚顶箔轴承比传统箔片轴承拥有较大的承载力及偏位角,承载力增幅至少为23%;厚顶箔轴承的动态特性与传统箔片轴承有较大差异;厚顶箔轴承的初始间隙会影响偏位角和承载力,小初始间隙在所有偏心率范围内可以提高承载力和减小偏位角;波箔宽度对轴承静态特性的影响较小,但对动态特性的影响较大,在中低激振比范围内,动态系数基本随着箔片宽度的变窄而变小;厚顶箔的质量会在高激振比下对轴承的动态特性产生影响,使得动态刚度系数上升,动态阻尼系数下降。     

一种关于静压气体轴承节流孔系数的计算方法

基于层流边界层方程的分离变量算法和雷诺方程的解析算法,提出了一种关于单节流孔静压气体止推轴承的节流孔系数的计算方法。该方法通过比较层流边界层方程计算获得的气体轴承的质量流量和雷诺方程计算获得的质量流量计算获得了节流孔系数。将计算获得的节流孔系数和节流孔系数为常数0.8代入单节流孔气体止推轴承的雷诺方程中,计算获得的承载力与分离变量算法求解层流边界层方程获得的承载力进行对比,可以发现,相对于采用节流孔系数为0.8来说, 采用该计算的节流孔系数求解雷诺方程的承载力与分离变量算法求解获得的承载力结果精度最大提高了8%。从而验证了该计算节流孔系数方法的正确性。      

高速发动机油膜惯性对活塞裙润滑影响

利用一种新的迭代算法 ,分析了高速发动机油膜惯性对活塞裙润滑特性的影响 .该迭代方法是利用有限元法和差分法交替求解Navier Stocks方程和雷诺方程 ,据此导出了适用于高速发动机活塞裙的润滑计算的混和润滑雷诺模型 .新的模型借助惯性系数 ,引入了油膜惯性项 ;同时给出求解含有油膜惯性项的迭代步骤和有限元表达式。计算结果表明 :随着惯性系数和活塞裙的长径比的不同 ,油膜惯性会对油膜的摩擦力、压力和承载力产生不同的影响 ,这种影响对承载力尤为明显 .该润滑模型也可用于中、低速发动机的活塞裙润滑计算以及不计入惯性项 (惯性系数置为零 )的某些润滑问题求解 .     

流体惯性对弹性环式挤压油膜阻尼器-转子系统动力特性的影响

基于考虑流体惯性的雷诺方程,利用有限差分法计算弹性环式挤压油膜阻尼器(ERSFD)的内、外油膜分布压力和油膜合力,分析ERSFD-转子系统动力学。通过比较考虑流体惯性和不考虑流体惯性时的油膜压力、油膜合力和转子幅频响应,发现当雷诺数较大时,计算结果存在明显差异。考虑流体惯性的转子系统等效刚度和阻尼均更大,临界转速更大,而共振区振幅则更小。当转子系统的转速较大,或油膜黏度较小从而雷诺数较大时,在油膜力计算中考虑流体惯性的影响是必要的。      

螺旋桨滑流与机翼气动干扰数值模拟研究

分别采用非定常方法和激励盘理论研究螺旋桨滑流对机翼的干扰作用,并对计算结果进行对比分析。非定常方法基于动态面搭接结构化网格,运用有限体积法求解非定常RANS方程。对于激励盘理论,首先采用点对点结构化网格,随单独螺旋桨旋转的方式进行非定常模拟得到螺旋桨桨叶压力分布,然后将桨叶压强分布转化为激励盘载荷分布,最后将载荷分布作为边界条件对干扰流场进行定常模拟。数值结果表明:除了在较大来流攻角时有所差异,两种方式得到的机翼气动力吻合良好;非定常方法可以得到螺旋桨与机翼的瞬时干扰流场,而激励盘理论则可以大大缩短数值模拟的时间并降低计算要求。     

几何参数对刷式密封泄漏和刷丝尖端力的影响

建立了一种刷式密封的切片式三维模型,利用计算流体动力学(CFD)方法,计算了刷丝所受的气流力并将其简化为较少量的一系列的集中力.基于力矩平衡和线性叠加原理,提出了气流力引起的刷丝尖端力、转矩的一种定量计算方法.1台刷式密封实验台和1只实验刷环被用于相关理论计算 的实验验证.基于上述理论计算,利用正交实验研究了刷丝长度、刷丝间隙、刷丝排数、安装角、刷丝直径和保护间隙对泄漏率、气流力、刷丝尖端力和转矩的影响.结果表明,总泄漏率及转矩的计算与实验结果基本吻合,各点误差均小于20%.刷丝直径、刷丝间隙、保护间隙及刷丝排数的对总泄漏率影响非常显著,安装角对转矩的影响非常显著.