多级涡轮气动设计与优化的研究

为明确多级涡轮的设计方法与流程,缩短设计周期与减少设计过程中的盲目性,采用分层优化设计体系对某五级涡轮进行详细的气动设计,对设计体系中各部分的作用和设计方法及手段进行了一定的探索。根据分层优化设计体系规范,首先方案设计,即一维与S2设计,掌握该涡轮的设计特点。方案设计完成后,根据方案设计中确定的部分参数,最终采用以三维设计为主,综合考虑总体参数和沿叶高参数分布的设计思路,设计过程中应用了优化的方法对部分参数进行了优化设计,三维设计完成后对该涡轮进行了简单的非定常校核,并且计算了特性线,验证了其变工况性能。计算结果表明所设计的五级涡轮基本达到了设计要求。     

空心涡轮叶片精铸蜡型陶芯定位元件尺寸计算方法

 针对空心涡轮叶片精铸蜡型陶芯定位元件尺寸难以精确量化的问题,提出了基于模型匹配算法的陶芯定位元件尺寸计算方法。通过将壁厚权值因子引入匹配模型,实现了测量数据与理论模型的精确匹配;基于匹配后的陶芯实测数据,建立了定位元件的尺寸计算方法;最后,将壁厚偏差分布一致的一批陶芯分两组进行实验对比。结果表明该方法计算出的陶芯定位元件尺寸能够有效提高蜡型壁厚精度,对空心涡轮叶片的精确控型有一定的指导意义。     

纸基蜂窝零件固持中压紧机构和铁粉填料装置设计

基于磁场和摩擦吸附原理的纸基蜂窝零件在固持过程中,利用铁粉作为介质传递摩擦力对蜂窝零件进行固持,蜂窝零件下表面与固持平台上表面是否接触,铁粉填充高度和区域是否满足设计计算要求,都会对最终的固持效果产生明显的影响。为了得到良好的固持效果,研制了一套基于分布式弹簧的蜂窝材料压紧装置和基于皮带输送的铁粉填充系统。试验表明:预压紧装置能够实现蜂窝芯与蜂窝固持平台的完好接触,基于皮带输送的铁粉填充装置能够实现厚度可控制和区域的均匀完整填料。     

基于壁面滑移修正的凝胶推进剂流变本构方程

为了调研壁面滑移现象对凝胶推进剂管道流动的影响,对凝胶推进剂及3种模拟液在直圆管中的流动进行了研究。对直圆管流动实验采集的流动数据进行壁面滑移修正,得到了壁面滑移速度公式。构建了考虑壁面滑移修正的幂律本构方程,计算出考虑滑移速度的沿程阻力系数和广义雷诺数及二者的关系。采用PIV实验并结合数值仿真,得到管道输送过程中的真实内流场速度分布以及壁面有滑移和无滑移的速度剖面图。研究表明:经过壁面滑移修正可见推进剂及模拟液幂律本构方程是唯一的;通过沿程阻力系数的计算和管道内流场PIV实验两方面验证了所用修正方法和所建流变本构方程的正确性和适用性。      

基于Kirchhoff方法的亚声速平面混合层主涡对并声场分析

为拓展主涡对并气动声场计算分析方法研究,针对亚声速平面混合层主涡对并流动,采用直接数值模拟(DNS)方法求解获取近场声源,利用二维Kirchhoff频域法和时域法外推声辐射远场,并应用Kirchhoff频域法对主涡二次对并声辐射特征进行分析。研究结果表明:Kirchhoff频域法和时域法具有一定差异性,但与主涡对并直接声计算结果对比,显示二者计算精度相当且均具有较高的精确性。通过Kirchhoff频域法应用分析,清晰揭示出主涡二次对并各声模态与主涡卷起、对并过程的对应相关性,利用频域法这种良好的计算分析性能,本文进一步研究了混合层入口扰动相位差对涡并声场的影响,展现出主导声波在声场中的重要作用。     

扩口孔型预旋喷嘴流动与温降特性

分别对预旋角度为20°的直孔和扩口孔型喷嘴进行了数值模拟和实验测量.计算模型包括仅有进气腔、预旋孔和出气腔的单独模型和在此基础上增加了旋转部分的系统模型;研究内容包括速度场、出气速度、出气角度、流量系数、预旋效率和温降,并对单独模型的孔流量系数进行了实验测量.结果表明流量系数的计算结果与实验结果符合良好,扩口孔的流量系数、预旋效率和温降都比直孔显著增大20％以上.数据还显示由单独模型计算得到的流量系数和预旋效率与由系统模型得到的结果比较接近,根据单独模型的预旋效率而推算出的温降可在一定程度上间接反映预旋系统的温降特性.     

基于二代小波的轨迹优化节点自适应加密

针对采用直接法求解轨迹优化问题中精度和效率之间的矛盾,提出了基于二代小波轨迹优化节点自适应加密.采用RK(Runge-Kutta)离散方法将原轨迹优化问题转化为非线性规划问题,并采用成熟的非线性规划算法求解.对控制或状态函数进行小波变换得到小波系数,基于小波系数和二分节点的对应关系,根据小波系数的幅值确定下一个迭代步所使用的节点并进行序列优化.算例结果表明:通过设置合适的小波系数阀值,采用较少的时间离散节点即可使优化结果达到预定的精度.与高斯伪谱法软件相比,节点个数大约减少10%,最优指标的精度大约提高1个数量级.      

一种描述燃油与气体组分传质的频率传质模型

抛开经典Fick定律,提出用传质频率来表征燃油和空气氧氮传质的快慢,建立了以频率传质模型为基础的飞机燃油箱冲洗惰化数学模型,该模型能对传质速度进行量化,而国内外工程界目前使用的模型不具备此量化能力;该数学模型的准确性和有效性得到美国联邦航空管理局（FAA）相关封闭燃油箱内的氧氮传质实验数据的验证;将该数学模型用于仿真A320的飞行阶段的氧的体积分数,仿真结果同测试数据及其他模型的计算结果对比后发现:频率传质模型的计算精度最高;进一步仿真表明,载油率的增加会明显延缓惰化氧的体积分数的降低,且在高载油率下频率传质模型同不传质以及瞬时平衡这两种模型的计算结果差异很大.      

民用飞机多舱油箱内惰性气体分布的研究

针对某种通风方式,对1／6比例的波音747中心翼油箱内的气流分布进行了可视化实验,得到了该油箱内气流分布的详细信息。建立三维数值模型,对不同Re数下的多舱气流分布进行了计算,经与实验结果对比显示二者吻合较好。通过数值模拟得到了各舱的流量分配系数,采用微元段的计算方法得到了各舱氧浓度的分布。对3种不同通风方式下的惰化效果进行了对比研究,提出“最不利舱氧浓度”的概念,认为对多舱油箱进行惰化系统的设计时,这一因素不容忽略。该研究可为多舱油箱惰化工程设计提供相应的支持,为通风系统的优化提供理论依据。     

直升机动力舱气动特性仿真及优化

在全机建模的基础上仿真计算了直升机动力舱灭火系统典型平飞、悬停和爬升飞行状态的动力舱流量。计算结果可作为灭火系统验证试验的输入条件。动力舱优化设计可以通过改变通风口的位置和大小,然后用本全机建模的方法仿真计算评估舱内流量,通过反复迭代找到适合设计要求的方案。