逆流冷却罗茨鼓风机涡流与排气脉动的数值分析

运用计算流体动力学方法对逆流冷却在削弱罗茨鼓风机排气过程中存在的排气脉动方面进行了数值模拟,以动网格方法实现了计算域的变化并保证与转子旋转角度的匹配,在预进气与基元容积的动、静交接区域采用了非一致网格界面.对涡流与脉动流动瞬态特性的分析证明,逆流冷却可以避免排气口处的回流现象;在一个运行周期内,逆流冷却鼓风机的小脉动幅值仅为空冷鼓风机的20%～25%,这种小幅值脉动在降低排气气动噪声方面起重要作用.      

机体/动力装置一体化分析中的动力影响效应数值模拟

采用合适的进、排气边界条件, 对带动力的单独涡扇发动机模型和带动力的DLR-F6翼身架舱复杂组合体(WBPN)模型的流场进行了数值模拟和分析.运用Roe三阶迎风偏置通量差分裂方法和隐式近似因子分解方法求解雷诺平均Navier-Stokes方程, 基于点搭接多块网格技术生成高质量计算网格, 通过多重网格技术来加速收敛.着重对动力发动机进、排气边界条件的给定进行了推导, 以准确地模拟发动机动力效应.计算结果与实验值吻合良好, 验证了所采用计算方法、网格分块策略和边界条件处理方法的正确性.      

三维槽道湍流的大涡模拟

利用大涡模拟方法模拟了雷诺数为13000的充分发展槽道湍流流动。为了比较网格和亚格子模型对计算结果的影响,采用了三种不同的网格数目,以及Smagorinsky模型和动力模型等两种亚格子模型,并与直接数值模拟结果进行了比较。结果表明,大涡模拟可以比较准确地给出速度分布、脉动速度均方根分布等湍流统计参数。在此基础上,对近壁区小尺度湍流结构进行了研究。     

一种基于结构化贴体网格的DSMC方法研究

基于DSMC方法,发展了一种结构化的贴体网格的分子运动轨迹跟踪和定位的方法———网格面法向量判断法。在此基础上建立了一套DSMC数值模拟程序,对球双锥和Apollo飞船在过渡区域流动进行了数值模拟,并分析了其过渡区域超音速、高超音速的气动力、气动热等问题。通过将本文的计算结果与参考文献的计算结果和实验结果进行了比较,验证了所发展的方法的可靠性。     

基于动态混合网格的多体分离数值模拟方法

在以往发展的动态混合网格技术的基础上,耦合六自由度运动方程计算和非定常流场计算,建立了一种多体分离问题的非定常数值模拟方法。首先采用刚体运动的六自由度运动方程,建立刚体运动轨迹计算模块,然后以该模块为纽带将以往建立的非定常计算方法与改进的基于Delaunay背景网格插值方法和局部网格重构方法相结合的动态混合网格生成方法耦合起来,形成了精度较高、效率较快的多体分离数值模拟方法。利用该方法对典型多体分离问题进行了数值模拟,计算结果与风洞实验结果吻合较好。     

结构/非结构混合网格数值模拟栅格翼

为了详细了解栅格翼内部的流动特性,设计满足飞行器性能要求的栅格翼,本文开展了多种不同单栅格外形的气动特性数值计算,对单个栅格的外形进行了初步选型研究;然后采用结构网格、结构与非结构混合网格求解NS方程,对带有两片栅格翼的导弹进行了数值模拟,结构网格计算结果与结构非结构混合网格计算结果一致,并与国外文献的计算结果和风洞试验结果进行了对比,三者的结果吻合较好.采用混合网格比结构网格的网格规模小许多,可以节省大量计算机内存和计算时间,是一种比较好的栅格翼数值模拟方法.     

气动热数值模拟中壁面热流后处理方法

针对气动热数值模拟中壁面热流后处理方法进行了系统的数值研究,提出了一种有别于常规微分法和积分法的壁面热流后处理方法.通过3种算例进行了对比分析,结果表明:即使在流场参数相同情况下,采用不同的壁面热流后处理方法计算的热流结果也会有较大差异,且表现出不同的网格依赖性.微分法对网格的依赖性较大,单纯提高差分精度不一定能够减弱网格依赖性和提高计算精度,还与近壁处网格分布密切相关;积分法从能量平衡积分方程出发,极大地减弱了网格依赖性,具有较高的计算精度.所提出方法具有与积分法相当的网格依赖性和计算精度,尤其在驻点区域,其网格依赖性更弱于积分法,且计算简单,提高了计算效率.      

建筑LES模拟脉动入口的适用性研究

采用周期人流边界,在展向等间距网格系统中对平板湍流边界层(驱动单元)进行LES模拟,并将顺压力梯度引人流体控制方程以维持湍流边界层厚度的稳定.记录驱动单元脉动时程并将其引人虚拟模拟网格系统(验证单元)以研究LES脉动人口方法的适用性.数值结果表明,采用周期人流边界可成功实现脉动输人,边界层在顺压力梯度下的自保持性良好;脉动人流特性在驱动单元内保持良好,可满足工程需求;顺流向平均流速剖面以及湍流强度剖面均满足低湍流度下的风场特性.数值结果可为我国B类地貌下抗风研究采用.     

基于浸入式边界法的振荡转子叶片数值模拟

对于流固耦合问题,传统的数值模拟方法由于需要不断的网格重构使得问题变得复杂,本文通过利用浸入式边界法建立了在单一坐标系和网格下求解振荡转子叶片的快速计算模型,从而避免了传统方法中由于需要不断地重构贴体网格造成的数值模拟的复杂性。为了验证该方法的正确性,分别对低KC(Keulegan-Carpenter)数下的振荡圆柱和两自由度振荡圆柱进行了数值模拟,计算结果与以往的试验结果和数值结果吻合得很好,证明了浸入式边界方法的可靠性。在此基础上,对振荡转子叶片进行了数值模拟。结果表明折合速度和叶栅稠度是影响振荡转子叶片的重要因素。并且,值得注意的是这种耦合过程并没有生成贴体网格,因此大大减小了计算时间,这样可以更加快速、准确地模拟真实的叶栅流动情况。     

多区域湍流燃烧大涡模拟

为了提高湍流大涡模拟方法在计算复杂工业燃烧设备中反应流体的效率和精度,提出了可以对结构复杂燃烧设备喷嘴内部无反应区域只求解基本流体控制方程,对喷嘴下游燃料反应区域加入燃烧模型进行分区域计算的多区域求解方法,并采用该方法和传统单区域求解方法分别对甲烷-空气预混合湍流燃烧进行大涡模拟。研究结果表明:多区域和单区域求解方法计算所得的轴向和径向时均速度、脉动速度以及OH质量分数一致;不过,多区域求解方法在计算速度上有明显优势,当CPU数量不超过64个时,计算速度可提升14.7% ~ 20.6%;多区域和单区域方法的数值模拟结果与实验值进行了对比,三者吻合较好。     

大涵道比涡扇发动机分开式排气系统设计参数影响研究

为了分析外涵可用压比、内外涵出口面积以及核心外罩长度四个参数对大涵道比涡扇发动机分开式排气系统气动性能的影响,以该排气系统为原型采用数值模拟的方法对其性能进行研究。结果表明：存在一个最佳外涵可用压比使推力系数最大,但此时外涵处于欠膨胀状态,其设计规律与单喷管设计不同;存在一个使得推力系数最大的最佳喷管出口面积,此时喷管处于微弱的过膨胀状态,这主要与核心外罩／尾锥上的压强分布有关;核心外罩长度对排气系统性能存在一定程度的影响。     

三环驱动轴对称推力矢量喷管逆运动学分析

针对某三环驱动轴对称推力矢量喷管,将喷管驱动结构分解为三个子模块,应用空间机构位置分析法、解析几何法、坐标转换法分别对上、中、下子模块进行分析,建立了完整的喷管驱动机构逆运动学模型,利用实体实验与仿真测试相结合的方法验证了喷管结构设计的合理性和所建模型用于喷管控制的有效性。所建模型准确率达到98%,为下一步喷管优化设计及控制器的研发提供了一定的理论基础。      

桨尖喷气驱动旋翼设计中的功率匹配方法

针对喷气旋翼内外流动高度耦合的特点,提出了喷气旋翼设计中的功率匹配方法,根据发动机喷流属性与管道流动建立起喷气驱动模型,管道流动计及面积、温度、摩擦、旋翼旋转的影响,应用经修正的叶素法计算旋翼拉力与扭矩,最后对一种喷气旋翼进行了设计,结果显示旋翼翼型相对厚度与转速是影响拉力与功率平衡的主要因素,该方法可用于总体阶段喷气旋翼设计参数的快速确定与发动机选型.      

支撑板型线和径向倾斜设计对燃气轮机排气扩压器气动性能的影响

支撑板结构设计直接影响燃气轮机排气扩压器的流场结构和气动性能。本文在验证数值方法可靠的基础上,采用求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和 湍流模型的方法对带进气导叶和支撑板的排气扩压器模型进行了研究,探究在四种进气预旋下,支撑板截面型线以及本文提出的支撑板径向倾斜设计方案对排气扩压器气动性能的影响。结果表明：进气预旋和支撑板设计方式相同时,截面型线更薄的支撑板更易导致流体在支撑板附近的分离及更大范围的尾迹流,从而增大总压损失;支撑板截面形状相同时,与径向垂直设计相比,支撑板采用径向倾斜设计使得排气扩压器通道面积变化更加平缓,从而使得在四种进气预旋下,排气扩压器的总压损失系数下降7%-20%。当支撑板截面型线宽长比为0.2时,相对于径向垂直设计,支撑板采用径向倾斜设计方式的排气扩压器静压恢复系数在进气预旋 和 时分别提升了4.7%和3.8%;但在支撑板截面型线宽长比为0.12和0.175时,支撑板采用径向倾斜设计方式会降低排气扩压器在进气预旋 和 时的静压恢复性能。     

考虑使用因素的涡扇发动机排气温度换算方法

针对某型涡扇发动机厂内排气温度换算值验收合格而外场地面检查实测值偶有不合格的问题,分析了只考虑大气温度单一因素的排气温度换算方法的缺陷。提出了一种综合考虑非标准大气和调节规律使用因素的换算方法,建立了数学模型,计算得到了非标准大气的修正系数和调节规律的修正系数,并经试车试验验证。结果表明:提出的考虑使用因素的换算方法符合发动机的实际使用条件,所获得的修正系数与试车试验数据的相对误差小于1.3%,有效解决了排气温度厂内验收合格而外场地面开车不合格的问题。      

某型航空活塞发动机排气门烧蚀机理

针对某型航空活塞发动机在运行中因使用国产高铅燃油而时常发生较严重的排气门烧蚀故障的问题,通过对该型发动机上全新、使用过以及已烧蚀排气门的微观金相分析,结合该型发动机的结构设计和实际运行环境分析这种排气门烧蚀故障的发生机理,认为排气门运行温度过高导致排气门密封面上的抗腐蚀保护层被破坏掉是导致排气门烧蚀的根本原因,而高铅燃油中的铅沉积在排气门密封面上导致排气门散热不良是排气门过热的主要原因.据此提出改用低铅燃油减少铅沉积以改善排气门散热条件、降低排气门运行温度的解决方案,经实际运行测试证明排气门密封面上的抗腐蚀保护层得到了有效保护,解决了该型发动机的排气门烧蚀故障.      

基于声波有限元分析法的发动机进排气系统噪声的研究

汽车发动机进排气系统的噪声在发动机总噪声中占有重要分量，因此需要积极采取降噪措施。通过建立发动机进排气系统的理论模型，利用声波有限元分析法对发动机进排气系统的噪声特性作出预测，并将实际计算结果与实测值进行比较，结果表明声波有限元分析法能有效地预测不同结构的进排气系统的噪声特性。     

无人机活塞式发动机进排气系统优化

针对一款无人机(UAV)用活塞发动机在飞行转速为6500r/min时扭矩较低以及燃油消耗率较高的问题,提出了一种基于自适应遗传算法（GA）的发动机进排气系统优化方法,进行进排气系统改进设计。使用GT-Power软件搭建了该发动机一维仿真模型,并通过台架试验数据验证模型;基于该模型进行了进排气系统结构参数对扭矩和燃油消耗率的敏感性分析,将进气管长度、直径、空滤器后腔容积和排气管长度作为优化变量,使用Matlab进行自适应遗传算法优化,使用Simulink/GT-Power接口实现数据采集和优化结果反馈。通过台架试验验证了优化结果的准确性。结果表明:在飞行转速为6500r/min时,经过优化后的发动机扭矩和燃油消耗率都得到明显改善,扭矩最大可以提高5.51%,燃油消耗率最大降低6.31%。      

战斗机进排气一体化试验数据修正方法

为提高战斗机进排气一体化试验数据准度,基于推阻划分原理,提出了一种修正进气道内流和迷宫密封压差影响的试验数据修正方法。为提高修正可靠性,在总压测量方面,采取了按流场均匀度布置测量点的方法,对流场均匀度较差区域进行测量点加密,提高了总压测量准度;在总压计算方面,采用加权平均法计算平均总压,提高了总压计算准度。为验证该修正方法,在FL-14风洞开展了某型战斗机进排气一体化试验,试验结果表明:修正方法对试验精度影响在国军标相关试验精度指标范围内;本修正方法仅适用于中等迎角以下的进排气试验数据修正;与未修正试验结果相比,修正后的全机升力线斜率和升力值减小,阻力值增加。      

轴对称矢量喷管有效喉道调节方法

基于三维雷诺平均Navier-Stokes方程对轴对称矢量喷管内流场进行了数值模拟,分析了不同落压比下轴对称矢量喷管有效喉道及流量系数随矢量偏转角的变化规律.研究发现:矢量偏转角超过一定值时,轴对称矢量喷管有效喉道位置发生倾斜,有效喉道面积减小,流量系数降低,矢量偏转角越大落压比越低,流量系数降低幅度越大.根据研究结果提出了一种针对矢量偏转状态的轴对称矢量喷管有效喉道调节方法,方法以落压比和矢量偏转角为输入参数,考虑了轴对称矢量喷管几何喉道面积调节前后流量系数的变化.该调节方法能够为发动机控制系统提供更精准的输入,提高控制精度,矢量偏转前后流量相差不超过0.4%,调节时间缩短至少10%,可为推力矢量发动机工作状态调节提供参考.