航空发动机增益调度控制的多项式平方和规划方法

针对现有的线性变参数(linear parameter varying,LPV)控制器设计方法都是关于仿射参数依赖系统而没有专门针对多项式描述的LPV系统这一现状,提出了一种基于多项式平方和(sum of squares,SOS)规划的增益调度控制设计方法,并将其用于转速大范围变化时的航空发动机高压转子转速及压比控制.根据发动机非线性模型获取不同转速下的状态空间模型,并利用多项式拟合的方法建立发动机线性变参数模型.给出能够保证无静差的增益调度控制结构,利用有界实定理和多项式平方和理论推导出能够保证闭环系统鲁棒稳定的SOS约束条件,并形成控制器求解的SOS规划问题,通过求解获得多项式描述的增益调度控制器.分别以LPV模型和发动机非线性模型为对象做阶跃仿真,结果表明:高压转子转速/发动机压比控制系统的调节时间在2s以内,稳态误差不超过0.1%.      

蜂窝式轴心通风器油气分离性能计算

为对航空发动机蜂窝式轴心通风器油气分离效率进行研究,建立考虑油气双向耦合的流场计算方法及油滴/壁面相互作用模型,在验证通风阻力及油气分离效率可靠性的基础上,对不同转速、通风流量和环境温度下蜂窝式轴心通风器的油气分离效果进行计算和分析.结果表明:转速的增加会使油气分离效率得到提升,而通风流量和环境温度的增加则导致油气分离效率的降低.蜂窝孔结构的加入对通风阻力影响不大,却对通风器的滑油分离过程起主要作用,计算表明其对滑油分离贡献率在80%以上.      

翼吊发动机安装结构等效建模及其隔振设计

为了研究翼吊发动机安装结构隔振特性并优化其隔振器设计,建立了发动机安装节-吊架-机翼结构理论分析及有限元模型.利用有限元方法进行了模态验证并分析了安装结构的隔振特性.进行发动机3种典型工况下的结构动响应分析确定了振动传递的主路径.基于振动传递路径法研究了隔振器参数和安装位置对安装系统隔振性能的影响规律.结果表明:振动载荷经安装结构后低压转子转频和高压转子转频峰值响应分别降低22.03%和14.65%.低压转子转频振动传递主路径为发动机-前安装节-吊架-机翼,高压转子转频为发动机-后安装节-上连杆-机翼.通过合理设置隔振器位置可以使安装系统隔振率达到50.41%,隔振器的频率比为5和阻尼比为0.25时安装系统隔振率可达70.67%.为了优化整个发动机安装系统的隔振效果,设计隔振器时必须选取合适的安装位置和参数.      

New constitutive relation for eddy viscosity models

A new turbulent constitutive relation was directly derived from Boussinesq's hypothesis and mixing length theory, and then implemented in the standard k-ε model. The performance of this constitutive relation was validated in zero pressure gradient flat-plate boundary layer flow, fully-developed turbulent channel flow and separated flow in a plane asymmetric diffuser. The investigation demonstrated that, this new constitutive relation gave very accurate results in the former two basic cases and provided significant improvement in prediction of separated and reattachment points in the plane asymmetric diffuser. Separation and reattachment points at x/H=7.5 and 29 were calculated accurately in comparison to experimental results, and the static pressure coefficient of 0.82 was very close to large eddy simulation calculation. These results are very encouraging but further verification and extensive application of the new constitutive relation to other two-equation eddy viscosity model are needed.      

负游隙对高速高温薄壁圆柱滚子轴承动态性能的影响分析

计算了圆柱滚子轴承径向游隙为负值时的等效径向预紧载荷,并考虑等效径向预紧载荷下的套圈弹性变形,通过求解包含套圈弹性变形接触变形等效径向预紧载荷的非线性方程组,得到负游隙圆柱滚子轴承内部的载荷分布情况,以及负径向游隙带来的套圈周向应力.以此分析了负游隙对轴承承载性能及疲劳寿命的影响.结果表明:负径向游隙能够有效降低轴承打滑率,但同时也会降低轴承疲劳寿命,因此在负游隙设计时需同时考虑打滑率和轴承寿命,选择恰当的负游隙.     

固体燃料超燃冲压发动机燃烧室初步实验研究

设计并搭建了一个小型直连式试车台,开展了固体燃料超燃冲压发动机燃烧室工作过程的初步实验研究。加热器提供的燃烧室入口总压与总温分别为2.2MPa与1600K,试验证明了固体燃料超燃冲压发动机燃烧室在没有外部辅助条件下能够实现自点火和稳定燃烧。实验结果表明,燃面退移速率沿轴线先增大后减小,在凹腔和等直段交界处达到最大值,其峰值超过2 mm/s。随着燃烧进行,燃烧室通道扩大,凹腔与等直段压强下降较快。由于扩张比逐渐减小,扩张段内压强变化比较平稳。实验研究了采用突扩台阶进行火焰稳定的燃烧室构型,结果表明突扩台阶不适合作为固体燃料超燃冲压发动机的火焰稳定器。     

气相化学反应与声学振荡的耦合机理数值研究

通过数值仿真方法针对液体火箭发动机内的气相化学动力学与振荡声场的热声耦合机理进行了研究。采用任意拉格朗日算法解耦流动与化学源项间的刚性。采用的多步总包反应机理考虑了底层的准稳态组分脉动。通过入口流量边界的流量脉动向燃烧室中引入纵向声波,并建立了冷流声学相似场模型以分析热声耦合效应的强度。研究发现:在线性小振幅声场中,气相化学动力学控制的释热系统与声学振荡无明显耦合激励;在非线性有限幅值声场中,燃烧室压力与释热波动出现“突跃”并表现为陡峭前沿波,气相化学动力学控制的释热系统与声学振荡发生耦合激励,反应流较其冷流声学相似场的压力振荡振幅增强约300%。最后分析了耦合激励发生的可能原因,提出了气相化学动力学体系的“释热分岔”假说。     

润滑系统管路流动与换热耦合计算研究

为研究沿程管路换热与滑油流动之间的耦合问题,通过分析主要元件的流动和换热特性,引入元件换热的能量方程,结合管路流动的连续性方程和动量方程,建立了润滑系统管路热流耦合计算模型。针对一段发动机供油管路,利用MATLAB/Simulink建模仿真工具包,建立其热流耦合网络计算模型,获得滑油流量、温度以及管壁温度等参数,采用商业软件Flowmaster对其进行验证。模型计算结果与Flowmaster计算结果非常接近,滑油流量和温度的最大误差均不超过3%,管道壁温的计算误差不超过2.4%,说明建立的热流耦合计算模型具有良好的仿真精度,适用于考虑沿程管路换热的发动机润滑系统计算分析。     

单液滴破碎空间尺寸分布特性的实验研究

为了研究液滴破碎后颗粒云空间尺寸分布的机理特性,通过试验方法并建立相应的均匀性指标数学模型,分析了不同We数对液滴破碎后颗粒群空间分布均匀性的影响。结果表明:(1)液滴袋状破碎后颗粒分布类似于袋形的蜂窝结构,并以类似爆破的形式向后方外围扩散分离。(2)多模式破碎后颗粒群为类似于"树"形结构的颗粒分布,前端有分布密集、粒径较小的聚集团,后方分布着大范围的颗粒群。(3)剪切破碎后颗粒群为类似"桶"形的颗粒分布,外围分布着大量颗粒,而内部分布较为复杂。(4)在We数为10~70时,颗粒群的离散率在整体上是呈现先升高后下降再升高的趋势。当We数为30和60时,两个方向上的离散率存在较大差异,而三种不同的破碎模式中,剪切破碎均匀性表现最好。     

圆形和矩形燃气射流在受限液体中扩展特性的对比研究

为研究不同喷孔结构的燃气射流在受限液体工质空间的扩展特性,采用VOF(Volume of fluids)模型分别对圆柱形充液室中圆形射流和矩形射流扩展过程进行气水耦合数值求解。考虑了燃气可压缩性、流体粘性和热量交换因素对射流扩展特性的影响。通过数值模拟,获得圆形射流扩展形态及轴向速度计算值,与实验结果吻合较好。在此基础上,进一步对比分析了矩形射流和圆形射流的扩展特性,获得射流场中密度、压力、温度和速度的分布图以及涡的演化过程。计算结果表明:燃气自喷孔喷出,由于出口处压力较大,高温燃气继续膨胀产生膨胀波,膨胀波在气液界面反射形成压缩波,圆形射流的膨胀波和压缩波均比矩形射流强。燃气射流扩展过程中,由于周围液体惯性效应,气液卷吸掺混效应以及膨胀压缩波作用,圆形射流的压力场和温度场分布较矩形射流更加复杂,同时刻的圆形射流轴向扩展速度也比矩形射流小。从速度云图发现矩形射流的速度核心区比圆形射流速度核心区要短;同时从圆形射流和矩形射流不同截面流向速度分布图发现流向速度峰值均发生了偏移,但矩形射流发生偏移的区间更长,偏离距离更远。