航空发动机滑油回油管内的流型识别及含气率预测研究

发动机润滑系统回油管内油气两相介质的流动特性直接影响系统中回油泵及散热器的工作特性。为辨别回油管内油气两相流流型和建立含气率预测关系式,本文搭建了模拟轴承腔回油管流动的实验系统,并依据涡轴发动机回油量及油气比完成了700组不同工况的实验测试。实验空气与滑油流量范围分别为10～200 SL/min与6～37 L/min。本文对实验范围内的管内流型进行了判别,并修正了含气率的预测模型。首先对两种极限工况的压力信号的时序特征、概率密度函数和傅里叶变换进行分析,判定其流型为分层流和弹状流。将流型结果与Mandhane流型图进行对比,显示Mandhane流型图并不能准确预测回油管内的油气两相流流型。其次利用含气率经验关系式进行含气率预测,发现Massena预测模型预测的含气率与实验值更接近,预测结果更准确。分层流的含气率在50%以下,而弹状流的含气率在50%以上。最后根据流型对Nicklin经验关系式进行修正,得到分层流和弹状流对应的分布系数分别为0.848和0.919。     

基于DPM与VOF方法轴承腔内滑油瞬态特性对比

为了研究航空发动机轴承腔内油气两相流流动特性,分别采用DPM方法和VOF方法建立了完整的数学模型,并对轴承腔内的两相流动进行了非稳态的数值模拟,获得了不同转速情况下内壁面油膜厚度和滑油体积分数的动态变化过程。通过与实验数据的对比及两种方法计算结果的对比,验证了模型的合理性。进一步计算了增大滑油流量情况下腔内滑油分布。研究结果表明：油膜在轴承腔壁面经历从形成到基本稳定的过程,历时约0.8 s;油膜的生成位置及发展速度受转速影响较大,空气对油膜的剪切作用对油膜分布的均匀性有积极作用。     

轴承腔内壁油膜运动特性的数值研究

为了获得航空发动机轴承腔内壁油膜运动特性,对油滴在轴承腔内运动、油滴/壁面相互作用及油膜的流动进行研究,建立了一套完整的数学计算模型,利用Star-CD商业软件对油膜的运动进行非稳态数值计算,在验证计算模型合理性的基础上,对不同主轴转速下轴承腔两相流动的运动特性进行研究。研究表明:油膜在轴承腔壁面经历从形成到基本稳定的过程。在油膜流动稳定的状态下,随转速的增加,壁面油膜厚度呈减小趋势,而壁面油膜速度却呈增加趋势,油滴撞击油膜动量随转速的增强是主要因素。此外,空气对油膜的剪切作用对油膜流动的加速产生积极作用,且转速越高越显著。     

轴承腔内壁与油膜换热的数值模拟与试验

航空发动机后轴承腔内壁与滑油的换热分析是轴承腔热防护结构设计的基础。对航空发动机轴承腔内壁换热模拟试验件开展试验与数值模拟研究,得到了滑油油膜对轴承腔内壁的换热影响。通过测量试验件外壁面、内壁面以及滑油油膜的温度得到了试验件内壁面换热热流密度与换热系数的分布;结合CLSVOF(Coupled Level Set and Volume Of Fluid)油/气两相流以及热-流-固耦合计算方法对试验件进行了换热分析,并将内壁对滑油的局部热流量的计算结果与试验结果进行了对比,结果显示两者在各个工况下均吻合较好。通过将局部换热系数计算值与当地的滑油流动雷诺数Rel进行对比分析,结果显示内壁局部努赛尔数Nuw与Rel的0.7次方成正比关系。另外,对转速对换热的影响进行分析得到Nuw与旋转雷诺数Re_(rot)的0.345次方呈正比关系。     

航空发动机管壳式燃-滑油散热器换热特性计算

采用无量纲关系曲线(Re~St·Pr2/3)计算管壳式燃-滑油散热器管程、壳程表面传热系数,基于效率-传热单元数法建立了管壳式燃-滑油散热器换热特性计算模型;以航空发动机某管壳式燃-滑油散热器少量试验数据为基础,拟合得到了该型散热器管程和壳程Re~St·Pr2/3关系曲线,并将该关系曲线应用于另一结构类似的管壳式燃-滑油散热器换热特性计算.算例计算表明:计算值与试验数据吻合较好,管程、壳程出口温度相对误差均不超过6.5%,总换热量相对误差不超过7.4%.该方法可应用于航空发动机管壳式燃-滑油散热器设计及验证阶段的换热特性计算.      

自由液体射流冲击高速旋转圆盘的耦合换热

为了研究自由液体射流冲击均匀加热高速旋转圆盘的耦合换热特性，采用数值模拟方法对比分析了固体和流体材料参数对流动及换热的影响。结果表明：不同固体材料参数对应的努塞尔数分布规律相似，同一半径位置处的努塞尔数最大相对偏差不大于10%。与径向温度分布相比，轴向温度差受固体材料导热系数变化的影响更大，铜和泡沫砖的径向最大温差仅相差3倍，而与导热系数近似呈反比的最大轴向温差相差达3 471倍。圆盘表面液膜平均径向流速和换热性能随流体黏度的增加而下降。黏度较小的氨和水对应的二次峰值换热强度较一次峰值的增加量超过了15%，黏度较高油类的二次峰值换热强度仅为一次峰值的50%～60%。射流介质采用黏度较小的水和氨时，盘面温度几乎保持不变，最大温差比小于7.86×10^-4；黏度较大的油类作为射流介质时在驻点附近的温度变化剧烈，当R/d超过2.5后，温度分布仅有小幅的波动。     

航空发动机轴承腔热分析软件开发

为了对航空发动机轴承腔进行性能分析,研究了一种全新的、高效的发动机轴承腔热分析软件。软件以热网络算法为基础,将发动机轴承腔分解成由相应的典型元件和节点组成的热网络,采用温度节点和传热元件组成的网络来描述轴承腔。介绍了基于面向对象程序设计语言Delphi技术的发动机轴承腔热分析软件的设计与开发技术。软件前台采用图形建模方式生成计算网络,后台采用了网络自动识别技术,方便了复杂网络的建立,并结合Delphi,建立了一个以桌面数据库为支撑的可视化应用系统体系。     

轴承腔壁面液膜厚度测量系统的设计与实现

航空发动机轴承腔壁面液膜厚度影响轴承腔的换热,准确测量轴承腔壁面液膜厚度对轴承腔润滑设计和热分析至关重要。针对轴承腔壁面液膜厚度难测的问题,根据脉冲反射法的基本原理,设计超声波测量系统,系统主要包括数据采集卡、电缆、探头以及延迟块等硬件以及由VC++开发的软件。以水作为介质,测量不同温度、不同倾斜角度条件下液膜厚度,并将测量结果与计算值进行对比,验证测量系统的准确性与可靠性。测量结果显示:在测量范围内,最大相对误差小于7.1%,满足工程实践要求。     

滑油射流冲击旋转壁面的流动换热数值模拟研究

为研究射流流速与发动机转速对轴承腔旋转壁面冷却效果的影响,采用数值模拟方法研究了滑油射流冲击旋转壁面的流动与换热特性,重点关注和分析了中高转速下射流雷诺数Rej和旋转雷诺数Reω对于滑油流动和壁面整体及局部传热的影响。为体现不同工况对壁面换热的影响,分别采用了壁面平均传热量、壁面努赛尔数、局部平均努塞尔数进行了综合换热分析。研究结果表明,随着射流流速增加,壁面附着油量增多,壁面平均传热量与局部换热分别增加约32%和40%;而随着壁面转速增加,壁面附着油量下降,壁面平均传热量减少约13%,局部换热增加约62%。     

轴承腔热分析通用软件的开发与应用

为满足航空发动机设计需求,开发了一种全新的航空发动机轴承腔热分析通用软件。软件基于可视化图形建模技术与热网络算法,通过构建轴承腔热网络模型图来完成热分析计算,具有良好的通用性与适用性。软件前台是采用DELPHI编写的图形界面,可以完成图形建模、参数输入与输出;后台是基于热网络法建立的各节点热流平衡方程组,通过FORTRAN编写的主程序进行热分析计算。软件能够获得轴承腔细致的温度场分布以及热状态变化规律,通过与试验数据对比,软件具有良好的计算精度。