间冷回热航空发动机技术发展趋势分析

间冷回热航空发动机是最受到重视的新型循环发动机.详细分析了间冷回热航空发动机的研究背景和开展该类发动机研究的必要性,描述了间冷回热发动机的基本工作原理和典型的技术特征.在此基础上,结合间冷回热航空发动机的技术发展历程的回顾,对其技术发展趋势和应用前景做出了预测.分析表明：间冷回热航空发动机以其低油耗的显著技术优势,将成为未来最有希望的“环境友好”民用航空发动机概念之一.     

燃油冷却面板传热特性试验与计算分析研究

采用热电偶测温、气壁红外测温及燃油样品裂解度测量等多种手段,在DJ-21电弧加热器上进行了燃油冷却面板传热特性试验。进行了共计19次燃油冷却面板传热特性试验,试验高状态对应平均热流为1.6MW/m2,低状态对应平均热流为1.1MW/m2;用于冷却的燃油质量流率为1.84～5.8g/s。为了反映冷却面板热流密度分布,以喷管三维流动计算结果作为输入条件,将计算得到的热流密度与试验测量的冷壁热流密度比较,用以确定流场计算方案、流场切取方案和热流密度计算方案。发展了冷却面板稳态准三维热分析程序,将等效热流对应的冷壁对流换热系数和燃气总温作为高温燃气侧的边界条件。使用热分析程序完成了相应的计算。通过试验与计算数据对比研究,表明热分析计算的可信性。试验验证了冷却面板的设计与加工是可行的。     

热激励在超声速进气道内对激波诱导的边界层分离的控制机理

通过数值模拟的方法研究了马赫5的超声速进气道内,热激励对激波/边界层相互作用的控制机理。研究了热激励器放热功率(E)、热激励器展向放置数目(N)和热激励器到控制激波的距离(S)三个参数在超声速进气道内激波控制和边界层分离改善中的表现。分别针对以下四种条件进行了数值模拟:1)E=2k W、N=2、S=0.02m;2)E=3k W、N=2、S=0.02m;3)E=2k W、N=3、S=0.02m;4)E=2k W、N=2、S=0m。分析发现:在以上四种条件下,均可观察到热激励在控制激波和改善激波诱导边界层分离上有着显著的效果。热激励器的放热功率对激波的控制效果有着明显的影响,在本文所考虑的热激励能量范围内,放热功率越大,原激波角的改变越大,最终分离区的改变越明显;展向放置的热激励器数目N影响着输入到流场的能量密度,并且N越大,壁面附近的激波面越趋于平面。尽管N对上壁面沿展向的压力分布无明显影响,但对上壁面分离区大小有明显的影响;对比条件1和4下的计算结果,发现S=0.02m可以得到很好的控制效果,而S=0m时流场结构几乎没有变化,这就表明热激励器必须放置在控制激波上游的一定距离处才会有预期的效果。     

边界层吸气对压气机叶栅角区分离损失的控制

压气机角区的大范围回流通常会引起叶片通道中的三维阻塞现象,并伴随有强烈的掺混流动损失。采用德国航空航天中心(DLR)开发的TRACE程序,在其推进技术研究所的高速压气机叶栅试验台(包含5个NACA65K48直叶片)上,研究了位于端壁上的边界层吸气措施——叶片弦中近尾缘吸气槽(MTE)对该直压气机叶栅通道的角区分离进行控制,减小二次流动损失,进而削弱其对总损失的影响。通过基于定常雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方法的数值模拟研究与相应的试验研究对比,端壁边界层吸气能够较好地重新组织角区气流流动,减弱附着于叶片吸力面尾缘的集中脱落涡,使得角区分离涡强度显著降低,由此引起的二次流损失也明显降低,与无吸气状态相比最大降幅可达81.2%;在设计状态下采用吸气流量率为1%的MTE,总压损失有很大程度的降低:在数值计算中,降幅为15.2%;试验测量中为9.7%。     

复杂变截面S形喷管气动设计与红外辐射特性研究

基于曲率控制设计方法,以某涡喷发动机排气喷管为原型进行了S形喷管的设计;利用CFD软件对不同中心线形式,以及不同喷口形式的S形喷管几何参数对气动力影响进行了数值分析和优化选型。同时,还利用自主开发的软件对喷管在后半球空间内的红外辐射强度进行了数值模拟,研究了喷管出口形状对于喷管红外辐射强度的影响规律。结果表明:按红外抑制效果排列,较好的喷口形状依次是梯形、矩形、椭圆、圆形喷口,梯形喷口S形喷管可使红外辐射峰值缩减60%左右。     

超临界压力下正十烷流动传热的数值模拟

为了深入理解主动再生冷却过程中碳氢燃料的超临界传热特性,基于SIMPLE算法建立了数值模拟方法,考虑了碳氢燃料物性随温度的剧烈变化,并利用电加热管实验结果验证了计算方法。针对超临界压力下细管道内正十烷的流动传热现象进行了系统的数值计算研究,考察了计算网格无关性和超临界流动传热过程中的压力效应。结果表明:网格选择与正十烷的状态有关;在超临界压力下,较低的正十烷压力引起临界温度附近的努赛尔数减小,导致传热效率下降;目前常用的传热经验公式在正十烷临界区域附近与数值计算结果差别较大。     

离心叶轮二元叶片型线的优化设计及分析

为改善优化离心叶轮的气动性能,提出离心叶轮二元叶片型线的一种优化设计方法,即通过给定流道平均相对速度沿半径的分布规律,在叶轮轮盘轮盖线不变的前提下,设计出一类叶片型线,并利用全三维数值模拟计算得到最佳性能的叶轮。孤立叶轮的计算表明,大部分工况的性能均明显优于原始叶轮,在设计点处效率提高12%,压升提高8.9%,流道中低速区的面积大大减小,静压场分布更加均匀。最佳叶轮配上原始蜗壳进行整机计算,结果表明,设计点效率提高10%以上,且消除了蜗壳出口段的倒流现象,但在大流量工况下压升量有所下降。     

多管脉冲爆震发动机压力反传特性试验与数值研究

为了研究多管脉冲爆震发动机的压力反传特性,采用数值模拟和试验相结合的方法对四管爆震室的压力反传特性进行研究,测量了四管爆震室同时点火和分时点火这两种工作模式下的压力反传规律,利用数值模拟对四管爆震室共用进气道进行研究,分析了共用进气道长度以及在共用进气道内加装分流板对压力反传的影响。试验结果表明,四管爆震室同时工作时,共用进气道产生一道很强的压力扰动波,其峰值压力接近0.12MPa;四管爆震室分时工作时,共用进气道在一个循环内出现四次压力扰动,但扰动波的峰值压力较小。数值模拟的结果表明,在两种工作模式下,爆震室产生的反传压力使发动机入口产生高速倒流,四管分时工作时倒流的速度较小。随着共用进气道的长度增大,反传压力的峰值降低,但发动机入口处仍然存在倒流现象,倒流的速度随着共用进气道的长度增大而减小。共用进气道内加装分流板对反传压力的峰值并没有削弱作用。     

三外涵变循环发动机性能数值模拟

与双外涵模式相比,三外涵变循环技术将使发动机工作范围更广,更易满足未来发动机的自适应要求,及更大提升飞机综合性能。在带核心机驱动风扇级(CDFS)双外涵变循环发动机性能仿真方法基础上,构建了前调节阀门、后调节阀门、第三外涵等的数学模型,开展了三外涵变循环发动机性能模拟方法研究,重点分析了三外涵变循环发动机的稳态性能。结果表明:相比单外涵和双外涵模式,三外涵模式总涵道比调节程度更大,发动机最大状态与亚声速巡航状态间的燃油经济性更明显。