发动机缸内滚流运动的稳流实验与三维数值模拟

采用变压差法的涡流动量计式实验台和Ricardo评价方法,对四气门发动机缸内滚流运动以及气道流通系数进行了实验研究;并且根据气道稳流实验的状态与环境参数,采用RNG k-ε湍流模型、混合网格、有限体积法以及SIMPLE算法,建立了与之相对应的三维数值模拟分析模型,得到了气道内部与缸内流场更为详尽的数据信息.结果表明,实验气道可以在缸内产生滚流,但也存在局部的缺陷;数值模拟与稳流实验的结果吻合良好,模拟分析模型具有较高的准确性和实用价值.     

圆锥低超声速有攻角绕流非对称涡流的数值模拟与非线性分岔的研究

本文用数值方法研究了圆锥低超声速有攻角绕流的对称和非对称定常解、扰动响应以及在更大攻角(α＝30°)时出现的准周期解问题.研究指出:小攻角下对称流态是结构稳定的,当攻角增大并超过某一临界攻角时,对称流态变得结构不稳定,从而演变为结构稳定的非对称定常解.如攻角再进一步增大并超过另一临界值时,出现第二次结构不稳定,定态解又演变为准周期振荡解.这表明,以攻角作为参数,随攻角的增大,先出现定态解到另一定态解的分岔,进一步出现具有时间周期解的Hopf分岔.结构不稳定性是产生上述分岔的物理原因.     

飞机尾涡流场参数的仿真计算方法研究综述

作为缩减尾流间隔、提高运行效率的研究基础,尾涡流场的仿真计算技术是国内外民航空管研究领域的一个研究热点。在飞机尾涡流场的数值模拟方面,介绍了雷诺平均、大涡模拟和分离涡模拟方法在流场数值模拟方面的研究现状及存在问题;在尾涡流场参数的快速仿真计算方面,综述了典型计算模型的特点及存在的主要问题,包括CROW不稳定性、Greene消散模型、APA消散模型、TDAWP消散模型、D2P消散模型和三阶段消散模型等,分析了上述模型的精度与应用情况。最后对国内外研究现状进行了总结分析,提出了该领域未来的研究方向。     

基于涡流发生器原理的先进旋涡燃烧室燃烧特性研究

为了研究基于涡流发生器(VG)射流原理的先进旋涡燃烧室(AVC)燃烧及流动性能,对不同射流参数(射流前倾角α、侧倾角β、射流孔径D及射流比R)时燃烧流场进行了数值模拟。结果表明,基于涡流发生器射流原理的AVC性能优于传统射流AVC。增大α及β,可以提高燃气掺混率,增大凹腔中心湍流度,并使更多的热能转化为燃烧室出口动能,但是总压损失明显增大。增大侧倾角β可使凹腔内高温分布更均匀。随着射流孔径D及射流比R的增大,燃烧室整体温度分布先增大后减小。当α=60°,β=60°时燃烧室能够在贫燃条件下实现高温、低压降、低污染的稳定燃烧。     

利用涡流发生器抑制S弯进气道旋流畸变的数值模拟研究

S弯进气道由于其良好的隐身性能为现代作战飞机所青睐,但是由于进气道是弯曲的,较大的表面曲率容易导致边界层分离,降低了进气道的总压恢复,增加了气流的湍流脉动,导致旋流畸变的发生。对边界层流动实施控制可以推迟、扼制流动分离,改变进气道的气动性能。本研究在某机型进气道的CAD模型的基础上,利用FLUENT软件对采用不同类型的边界层扰流片(涡流发生器)进行数值模拟,控制边界层分离,使大S弯进气道出口的总压恢复和旋流畸变指标得以改善。     

带三维扰流元的方形通道内流动换热的数值模拟研究

在涡轮叶片内部冷却通道中一般都布置扰流结构以强化换热,带走传入的热量来保护叶片。针对一种三维扰流结构,在布置有该结构的方形通道内,研究了流动参数与结构参数对通道内流动与换热特性的影响。扰流元高为通道当量直径的1/8。雷诺数变化范围为1.5×10~4～8.0×10~4,扰流元流向间距变化范围为3～10倍扰流元高度。结果表明:针对该结构,雷诺数的变化只影响换热强度的大小,并不影响换热分布。同一换热面上扰流元顺排的换热效果比差排方式更好。随着扰流元流向间距的增大,通道换热面的平均努赛尔数比和通道流阻系数比不断下降,扰流元间距达到其8倍高度以上,下降速度减缓。扰流元张角在80°附近时,有最佳的换热强化效果。     

前缘剖面形状对80°／60°后掠双三角翼上涡流运动影响的数值模拟研究

采用上风高分辨率格式———通量差分分裂格式离散求解三维可压非定常薄层N S方程 ,数值模拟前缘剖面形状对 80°/60°后掠双三角翼上涡流运动的影响。计算模型包括尖前缘、菱形前缘、圆形前缘等三种不同前缘形状的机翼。计算结果表明 :三种不同剖面形状的前缘可以诱导产生不同的前缘分离 ,形成的各前缘剪切层的特点也不同。尖前缘机翼的边条翼涡和外翼涡合并点最靠前 ,其次为菱形前缘和圆形前缘的机翼。在大迎角情况下 ,三种机翼上的内翼涡发生破裂。圆形前缘机翼上的内翼涡破裂点比其它两种情况下破裂点的位置较靠前。涡的合并对二次涡的结构和特点也有显著的影响。     

航空发动机燃烧室熄火特性的研究

在对熄火特性进行深入研究的基础上，运用三维、两相紊流燃烧理论进行了航空发动机燃烧室贫油熄火的数值模拟。采用FLUENT软件计算出不同飞行状态发动机燃烧室发生贫油熄火时的三维速度矢量场、温度场和液滴轨迹，给出贫油熄火的αp-λ分布曲线，并将此结果与试验结果对比，证明了该数值模拟的合理性和可行性。与二维计算相比，三维计算更清晰反映出流场特性。     

双三角翼及其翼身组合的滚转运动特性比较研究

采用Navier-Stokes方程与滚转运动方程耦合计算方法,比较研究了不同后掠角的双三角翼和翼身组合体的滚转运动特性,分析了机翼前缘后掠角及细长机身对非定常滚转力矩时滞环、动态流场结构和物面瞬时压力分布的影响。研究结果表明：主翼迎风面上的融合涡能量在80°/60°双三角翼上耗散较小,而在76°/40°双三角翼上耗散严重,这是造成两模型滚转力矩稳定性与时滞特性差异的主要因素;机身对气流的扰动作用,大幅增强了滚转力矩的线性分量;机身对气流的上洗作用,增强了边条涡与融合涡吸力及其时滞性,同时加剧了主翼背风面的两涡干扰;大滚转角时机身对横流流动的干扰,使得主翼背风面压力分布的时滞差异显著增加。该研究结果有助于认识后掠角与细长机身影响双三角翼滚转运动特性的物理机理。     

喷头运动对水下气幕生成特性影响的研究

为了了解充液圆管内喷头运动过程中的气幕生成特性,采用高速摄像技术记录了喷头运动条件下多股燃气汇聚生成气幕过程。在实验基础上,建立了多股燃气射流在受限液体中扩展的三维非稳态数学模型,对实验工况进行了数值分析,气幕顶端扩展位移的计算值与实测值吻合较好。在此基础上,对比分析相同喷射条件下喷头运动与否对水下气幕生成特性的影响,结果表明:喷头运动,抑制了流场回流作用,增强了对气幕前端液体的推动作用,8ms时气幕运动速度由10m/s增大到11m/s;增大了喷头下游流场压力,8ms时运动喷头表面轴向受力增大了18%;降低了气幕顶部中心区域温度,但提高了壁面处温度。     

进气道旋流发生器的设计与数值模拟

为深入研究旋流以全面评价进气道/发动机相容性,设计了一套可调叶片转折角、叶片高度、叶片数的叶片式旋流发生器.利用CFD数值模拟技术,对旋流发生器进行了各种组合的流场计算,分析了可调参数对旋流发生结果的影响.结果表明,所设计的旋流发生器能够产生整体涡强度达8°～22°的旋流,叶片数对旋流整体涡强度的影响最为显著.     

发动机进气流动三维瞬态数值模拟研究

采用任意拉格朗日-欧拉法(ALE法)和所提出的动态网格生成新方法,实现了车用发动机进气流动过程的三维瞬态可压缩湍流数值模拟,湍流模型采用经压缩修正的κ-ε双方程模型.计算结果揭示了发动机进气过程的三维瞬态流动特性,为发动机进气系统的优化设计提供了理论依据.     

进气道旋流的模拟及试飞中的测量与评价

为深入研究旋流以全面评价进气道/发动机相容性,研制了一套可调叶片转折角、叶片高度、叶片数的叶片式旋流发生器.通过数值模拟、风洞试验逐步验证了叶片式旋流发生器的有效性,分析了各种可调参数对旋流发生结果的影响.提出了飞行试验中可行的旋流评价指标以及测量方案,并应用于风洞试验以进行验证.数值及试验结果表明:①所设计的旋流发生器可产生整体涡强度达28°的旋流;②叶片数、叶片攻角对旋流发生效果的影响最为显著;③通过不同的叶片布局方式可模拟出各种典型的旋流结构.      

绕椭球三维流动的分离结构随雷诺数的变化

通过数值计算求解N-S方程研究了绕4:1椭球流动结构随雷诺数的变化.计算的雷诺数范围为102-5×103.计算结果系统地显示了分离结构随雷诺数的变化情况及分离涡的空间结构.研究表明,在所计算的雷诺数范围内,10°和30°迎角的分离涡系有本质区别.分离涡系在10°迎角下以闭式分离为主导,在30°迎角下则以开式分离为主导.     

一种组合发动机变几何进气道流场特性研究

对一种组合发动机变几何进气道各马赫数下不同几何形状的三维流场进行了数值模拟.研究了不同马赫数时进气道的流场特征及气动性能.结果表明:随着来流马赫数的减小,外压段的超声溢流不断增大,进气道的流量系数不断减小;第一道内压缩波及其反射点位置对组织管道内的流场有着非常重要的作用;当有反压作用时,会在扩张段内形成激波串,激波串的形状和位置与来流马赫数、反压大小及管道内的流动有关.研究结果对类似进气道的几何调节方式有一定的指导意义.      

进气道旋流模拟及测量地面试车台试验研究

在地面试车台上,利用叶片式旋流发生器和五孔探针,对进气道旋流模拟和测量进行了试验研究。试验验证了旋流模拟方法、测量方法的有效性及旋流评定指标的可行性,结果表明:叶片式旋流发生器能有效地模拟出典型的整体涡、局部涡及对涡结构,其中整体涡强度可达15°;旋流测量方法行之有效且精度较高;旋流评定指标合理可行,能较为直观地反映旋流流场的强弱和结构。     

气口布置对进气涡流及扫气品质的影响

采用数值方法研究了气口布置对进气涡流及换气品质的影响,建立了缸内过程的三维瞬态数值模型,通过改变气口平射角引入进气涡流,根据归一化缸内二氧化碳质量分数评价扫气品质,对比了不同气口布置角度下的涡流比及扫气品质.结果表明:①改变气口平射角能够产生包括涡流在内的旋转流动,涡流持续到上止点附近,并近似为刚体涡;②进气涡流造成扫气过程中期短路损失,并使CO₂聚集于旋转区域中心;③扫气口仰角变大或排气口沿旋转流动方向远离扫气口,能够抑制短路;扫气口平射角减小时,上止点附近的涡流比降低,短路损失增大.      

整体涡旋流对跨声速压气机Stage 67影响的定常数值仿真研究

为研究不同旋流强度的整体涡旋流畸变对跨声速压气机的影响,本文采用定常数值仿真的方法,基于一种整体涡旋流畸变发生器与Stage67跨声速压气机展开联合仿真研究。通过改变旋流畸变发生器叶片角度,可以模拟不同强度的整体涡旋流畸变流场,在不同旋流进气工况下得到了压气机的压比、效率特性曲线,并针对流场细节进行分析,研究其失速机理。结果表明：同向整体涡有效降低近失速点叶顶通道堵塞程度,使叶片流动损失减小,压气机稳定裕度扩大;反向整体涡加剧叶背气流流动分离程度,引起吸力面尾部低速区面积扩大,导致叶顶堵塞程度的显著加剧,通道流动损失增加明显,造成压气机稳定裕度下降。     

预旋进气转-静盘腔中的流动和传热数值研究

采用计算流体动力学(CFD)软件CFX5.7对预旋进气旋转盘腔中的流动和传热过程进行了全三维数值模拟.对4种工况进行了计算,计算结果与试验结果吻合较好,验证了所采用方法的计算精度,并分析了旋转雷诺数、无量纲切向速度、预旋比对流场结构、传热的影响.