平面叶栅内固体粒子运动特性的实验研究

 利用ＮａｃＥ－１０型高速摄影机拍摄了流经平面叶栅的气固两相流中固体粒子的运动过程；在ＭｏｖｉｅｓＭｏｄｅｌ１００型胶片运动分析仪上对固体粒子的运动轨迹和速度进行了分析；并讨论了粒子的尺寸、初始速度的大小和方向对粒子在叶栅内运动特性的影响。     

气膜冷却涡轮叶栅气动损失数值计算

在二维气膜冷却边界层流动和传热计算方法 [1] 基础上 ,引入边界层积分参数法 [2 ] ,计算叶栅的气动损失。结果表明 ,这种方法较适用于低吹风比和边界层较厚处有气膜冷却的情况。作者将边界层积分参数法与叶栅损失计算的另一种方法进行数值计算的比较 ,表明两种方法各有长处与适用范围 ,实际应用中应考虑两者的结合使用。     

固体粒子在压缩机叶栅内的部分沉积模型研究

针对轴流压缩机叶栅内固体微粒沉积的问题,发展了新的粒子沉积模型(部分沉积模型)。采用此模型和普遍采用的完全沉积模型进行了计算,计算结果表明两种模型对叶栅前缘处的粒子沉积影响明显。采用部分沉积模型时,叶片前缘处不会出现短时间内不合实际的大量沉积现象,而表现为一种比较均匀的粒子沉积。     

叶片前缘对吸力面边界层3维流动影响分析

为了分析叶片前缘形状对吸力面边界层 3维流动过程的影响，对 1组具有不同前缘形状的叶栅进行试验与数值模拟。 以2维结论为基础，利用数值计算建立了前缘对吸力面边界层的2维影响与3维影响之间的联系。结果表明：对于1个竖直叶栅， 端壁附近的展向截面吸力面边界层早期的发展过程主要保持2维特性，且这一特性能对边界层的3维流动产生直接影响。展向截 面边界层形状因子与边界层展向流动趋势直接相关，在分离泡区域内，形状因子较大，使得边界层展向流动的趋势急剧增加，低能 流体沿展向大幅发展。通过试验考察不同前缘叶型的竖直叶栅出口总压损失和出口气流角的展向分布发现，在2维计算中优秀 的前缘造型或特定的前缘形状均能改善吸力面边界层的3维流动，有效减小整体的总压损失。     

尾迹与涡轮叶栅边界层的相互作用

通过实验和数值模拟的手段研究了尾迹与边界层的相互作用,其中上游叶排尾迹的模拟是通过在涡轮叶栅前设置周期性运动的圆柱实现的.研究表明,上游尾迹对涡轮叶栅边界层的发展有显著影响,在其作用下,吸力面边界层提前转捩,分离得到明显的抑制,利用尾迹与边界层相互作用的非定常效应可以明显提高低压涡轮叶栅气动负荷.      

气冷涡轮叶栅效率的计算方法

将气冷涡轮叶栅中的冷气与主流在边界层中的掺混模型和在边界层外的掺混层中的掺混模型结合起来, 建立了一个预估气冷涡轮叶栅效率的计算模型。根据该模型利用回转面叶栅无粘流场的计算结果和二维叶面边界层流动的计算结果来预估气冷涡轮叶栅的效率。该算法为气冷涡轮叶栅的优化气动设计提供了一个计算手段。      

轴流压缩机叶栅内粒子沉积及性能下降计算中沉积模型的影响

针对轴流压缩机叶栅内固体微粒沉积的问题,采用计算流体动力学（CFD）软件对压缩机叶栅内的气固两相流动进行了模拟。文中首先采用简单粘附模型对轴流压缩机叶栅内粒子的沉积进行了计算;在此基础上,通过引入临界速度和临界角度的概念,采用用户定义子程序发展了一种新的粒子沉积模型,简称为部分沉积模型。并将采用部分沉积模型和简单沉积模型计算得到的粒子沉积结果进行了对比,结果表明部分沉积模型得到的粒子沉积更合理。在此基础上,采用部分沉积模型预测了轴流压缩机叶栅总压损失系数随运行时间的变化和500小时后叶片壁面的压力系数分布情况。     

凹坑深度对高负荷扩压叶栅损失特性的影响

采用经实验校核的CFD方法研究吸力面不同深度的凹坑对高负荷扩压叶栅气动性能的影响。为研究不同凹坑方案对于叶栅损失特性的影响,深度为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6mm,深宽比为0.25的5种凹坑分别被布置在42%~60%轴向弦长处。不同深度凹坑对于减小损失的效果不同。结果表明:深度为0.2mm的凹坑能够使得叶栅出口总压损失降低10.8%。三维球状凹坑通过提高边界层内的湍动能水平,促进边界层转捩,消除了层流分离泡,改善了矩形叶栅的气动性能。     

一种跨音速叶栅流场分析系统

本文建立了一种工程实用的跨音速叶栅流场分析系统,可进行跨音速叶栅无粘绕流和无粘流-边界层迭代计算。叶栅无粘绕流的计算以Denton拟流向“相对差分”方法为基础,y向采用松驰线性插值算法,所形成的解法能保证以较少的网点获得较准确的结果。边界层的计算采用积分方法,并考虑了紊流边界层的分离问题,文中还介绍了无粘流-边界层的耦合方式。应用本文方法对国内外多种压气机和涡轮叶栅进行了计算分析,所得结果与实验的吻合程度较好,因此,所提出的叶栅流场分析系统,可望为工程设计上实用的计算手段。     

基于浸入式边界法的叶栅颤振数值模拟

基于浸入式边界法建立了求解振荡叶栅非定常流动的快速计算模型,并在模型中添加湍流模型,使之能够考虑更加接近实际流动的情况。具体的方法是求解目前为止最常用的雷诺时均Navier-Stokes方程并添加低雷诺数湍流模型(Lam-Bremhorst模型,k-ε模型的一种)进行计算,为了验证该方法的正确性,分别对层流边界层和湍流边界层进行了数值模拟,计算结果与布拉修斯解和壁面率吻合得很好,证明了湍流模型的可靠性。在此基础上,对高雷诺数条件下的振荡叶栅进行了数值模拟。结果表明,折合速度是影响叶栅振荡的重要因素,这与层流计算的结论类似。值得注意的是耦合过程没有生成贴体网格,减小了计算时间,可以准确快速地模拟真实的叶栅流动情况。     

轴流风扇内部气固两相流动高速摄影实验研究

利用高速摄影技术对轴流风扇内部粒子的运动特性进行了测量。实验测量了3个圆周面内跨叶片间粒子的运动规律。所用粒子为1mm直径的泡沫球。对拍摄图像进行处理之后发现:(1)在叶轮通道内压力面一侧粒子浓度比较大, 吸力面一侧则比较小, 并且在吸力面有无粒子区存在。(2)粒子和压力面发生碰撞和反弹, 而不会和吸力面发生碰撞。(3)在压力面一侧粒子的运动速度比较低, 而在吸力面一侧粒子的运动速度比较高。      

减速器内部金属屑运动仿真分析

为掌握因轴承磨损产生的金属屑在直升机中间减速器内部流场中的运动状态，针对其固-液-气三相流特征建立了金属 屑颗粒受力平衡方程和多相流模型-离散相模型（VOF-DPM）耦合的CFD仿真模型。基于离散相运动方程编程计算及采用CFD仿 真分析方法获得了减速器内部颗粒的运动轨迹、运动速度，并据此对比验证了VOF-DPM耦合模型的正确性；利用CFD仿真分析 了颗粒在流体中运动时各种附加力对颗粒运动轨迹的影响，探究连续相空气、滑油与离散相颗粒三者之间的相互作用机理。结果 表明：连续相和离散相耦合作用对颗粒运动的影响较小，轨迹误差约5%、速度误差约3%，可忽略不计；虚质量力、压力梯度力和 Magnus升力对颗粒运动轨迹影响较大，Saffman升力对颗粒运动轨迹影响较小，而热泳力与布朗力不适用于直升机中间减速器固- 液-气三相流情形。     

二维气固混合层中拟序结构对 固粒运动影响的研究＊

本文对固粒在混合层涡卷起和配对过程中的运动进行了研究。对流场用拟谱方法直接数值模拟,对固粒用颗粒－轨道模型。计算结果给出了涡卷起和涡配对过程中固粒的运动情况,说明本流场Ｂａｓｓｅｔ力对固粒运动的影响甚微;拟序结构演变过程的不同阶段造成不同的固粒分布,该结果与流场显示的实验结果相符;在相同流场条件下,Ｓｔｏｋｅｓ数是影响固粒在拟序结构流场中运动的控制参数。文中所得结论对工程应用具有指导意义。     

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。     

模拟过载条件下EPDM绝热层烧蚀实验

用一种粒子浓度、速度和角度可调的高过载模拟烧蚀发动机,开展过载条件下粒子冲刷对EPDM绝热层烧蚀特性影响的实验研究。实验结果表明:(1)存在一个临界速度,当冲刷速度低于临界速度时,粒子浓度,速度和角度对炭化烧蚀率影响较小,而当冲刷速度高于临界速度时,炭化烧蚀率随速度的增加而急剧增加,角度影响也较大。(2)弱冲刷条件下的炭化层表面平整,而粒子沉积条件下的炭化层表面附着有很多大粒径的粒子,炭化层结构也更加疏松,而强冲刷条件下,粒子由于速度较高而不易在炭化层表面沉积。(3)当低于临界速度冲刷时,炭化层的孔隙结构分布不均匀,存在致密/疏松分层结构,而高于临界速度冲刷时,炭化层结构则更为致密。(4)通过多元回归得到了炭化烧蚀率与粒子冲刷速度,浓度和角度的经验关系式。     

曲线管道内颗粒运动及对管壁磨损的数值分析

根据张量分析理论,推导出非正交曲线柱坐标系中颗粒的运动方程。对三种类型弯管内两相流动的颗粒运动轨迹,颗粒与管壁面的碰撞以及颗粒对壁面的磨损进行了数值计算。     

沙粒蠕移运动速度测量及其统计分析

对大气边界层风洞中沙粒蠕移运动进行了高速光学测量并获取了数字图像序列。经过非负图像减法、自动阈值法及双向粒子追踪算法的依次运算,提取了足量的有效蠕移运动轨迹。从轨迹信息中获取了蠕移速度并进行统计分析,结果表明了以起动方式划分的两种蠕移运动的比重特性及其随摩阻风速的变化规律：流体起动蠕移代表整个蠕移运动的稳定变化部分,而碰撞起动蠕移代表动态变化部分;随着摩阻风速增大,前者比重减小,后者比重增大;在摩阻风速超过临界值之后,蠕移运动的主导形式从流体起动转化为碰撞起动。     

二维旋转湍流边界层内气固两相流动的数值模拟

本文用修正的ＤＯＲＯＤ－ＦＥＭ方法对不可压流体二维旋转湍流边界层进行了数值模拟，得到了与实验数据较符合的边界层形状因子和壁面摩擦系数的计算结果。采用单向耦合（Ｏｎｅ－ｗａｙ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ）方法，计算了固粒在湍流边界层和无粘流中的运动轨迹，给出了壁面被固粒撞击后的冲蚀磨损分布，分析了近壁流场性态与壁面冲蚀磨损的关系。     

采用非均匀反弹特性壁面的粒子分离器研究

为了在不改变流道几何型面的基础上实现对较大粒径砂尘轨迹的有效组织,借助数值仿真技术,对一类典型无旋式惯性粒子分离器流道内两相流场展开了模拟研究。通过对典型工况下粒子分离器内砂尘轨迹的追踪和细致分析,首先获得了壁面反弹主导下的较大粒径砂尘的三类基本运动模式及其主要特征。而后以此为基础,充分利用2024铝合金、7020橡胶以及45钢3种典型壁面在反弹特性上的差异,同时结合原流道型面,完成了一种基于非均匀壁面的粒子分离器方案设计。计算表明:通过对鼓包迎风面等关键区域的壁面材质的特殊设计,可在不降低气动性能的前提下实现AC砂及C砂分离效率的显著提升,其增幅分别为6.0%和13.7%。