主动流动控制技术的初步数值研究

利用亚跨超CFD软件平台2.0版本(trip2.0)对几种常见的流动主动控制技术进行了数值模拟,对包括进气道和襟翼等几个算例的流场进行了定常和非定常求解,获得了合理的计算结果,为今后的进一步深入研究打下了良好基础.     

振动凸包控制低雷诺数高负荷低压涡轮叶栅层流分离的数值研究

为了抑制高载荷低压涡轮PAKB叶栅在低雷诺数2.5×104工况下的层流分离,在叶片吸力面布置振动凸包进行主动流动控制,凸包为半正弦型几何,以最大振幅1mm、频率200Hz垂直于壁面按正弦波形非定常振动,通过非定常数值方法研究了振动凸包位置、几何宽度对叶栅气动性能的影响。结果表明,最佳振动凸包位置位于峰值速度点上游附近,叶栅总压损失系数相较无控叶栅而言降低28.8%,而位于分离点下游以及峰值速度点远上游的振动凸包恶化了叶栅性能;当振动凸包置于吸力面最佳位置时,凸包几何宽度对叶栅损失的影响较小。振动凸包流动控制机理来源于附着于叶片吸力面的连续凸包脱落涡团,涡团通过增加主流与壁面低能流体之间的能量交换,将低能流体限制于壁面附近,有利于抑制大尺度流动分离。     

突加不平衡作用下转子系统的主动降载实验

为了实现突加不平衡作用下的转子安全性设计,分析了突加不平衡作用下的锥壁降载结构机理,设计了支承刚度可控的主动降载实验系统并进行了实验验证。结果表明:锥壁熔断降载的本质是减小转子支承刚度,从而降低临界转速并在减速停车时降低转子支承载荷与相应振幅。设计的主动降载机构利用可控支承,自适应地改变支承刚度,有效的模拟锥壁熔断降载作用,并能够低成本、重复性的实验验证熔断降载机理,为突加不平衡的安全性设计提供实验条件与数据支撑。      

基于主动间隙控制系统的高压涡轮机匣试验

为研究某型主动间隙控制(Active Clearance Control,ACC)系统的工作特性,设计并搭建了高压涡轮机匣试验台。依据高压涡轮机匣的热环境分析结论,采用了控制温度的方式模拟热源。通过对该试验方案的误差分析及不同工况的重复性试验分析,对该试验方案进行了验证,并进行了有无ACC系统、不同热源温度下机匣温度场与位移场的测试。试验结果表明:在ACC系统未作用时,机匣径向热变形随温度增加近似线性增长,每升高1℃机匣径向热变形在3.5μm左右;在ACC系统作用时,温度场在周向出现"山峰"分布,位移场的周向不均度增大,最大周向不均匀度为335μm,并观察到壁面流区与泉流区呈现"IOI"状的交错分布现象。通过对不同工况下试验数据的分析,得出了ACC系统工作效率与机匣热变形率呈负相关的结论。     

可压缩算法在燃油冷却数值研究中的应用

为深入研究超燃冲压发动机的燃油主动冷却过程,在可压缩算法框架下,引入预处理技术、低耗散数值离散格式、一般流体状态方程、高压物性模型、燃油裂解模型等,发展了一套适用于求解一般流体低速可压缩问题的数值模拟方法。利用电加热管试验对数值方法进行了验证,并定量研究了PR-3燃油的冷却需求量及平板面板冷却槽道布置的影响。结果表明,数值结果与试验符合很好,证明当前数值方法在燃油冷却数值模拟中是准确有效的。针对350mm×90mm×6mm的平板面板冷却过程,需要约10g/s的燃油可确保1WM/m2热流下的防热安全。槽道布置对温度场影响明显,两侧进油方式比单侧进油的最大温差低约150K,均温性更好,更有利于降低结构热应力。     

水雾对火箭点火超压抑制效果的参数化研究

为研究水雾对火箭点火超压的抑制效果,采用平面波跨介质传播理论分析水雾对点火超压的抑制机理,得到了影响水雾抑制点火超压效果的主要因子。进而,数值研究各因子对抑制效果的影响规律,分析了在满足火箭安全发射条件下各因子的取值范围。最后,利用均匀试验设计方法设计数值计算的参数水平,采用回归分析方法得到了抑制效果与影响因子之间的参数化模型,并进行了抑制效果的优化研究。结果表明影响点火超压抑制效果的主要因子有:水滴直径、水雾体积分数和水雾层厚度。受水滴直径影响,水雾对点火超压有2种不同的抑制机理。此外,当影响因子在一定阈值内变化时,点火超压抑制效果与影响因子之间存在参数化模型,且置信概率不小于95%。      

改进型SVM在轴向磁轴承转子位移自检测中的应用

磁轴承采用位移自检测技术能够减少磁轴承体积、降低成本和提高可靠性。提出了一种基于混合核函数最小二乘支持向量机(LSSVM)预测模型的磁轴承自检测技术。介绍了轴向主动磁轴承的工作原理并推导了其悬浮力的数学模型;在混合核函数LSSVM回归原理的基础上,建立了控制线圈电流与转子位移之间的非线性预测模型,并优化了LSSVM参数,实现了无位移传感器控制。构建了轴向主动磁轴承系统自检测仿真模型,针对所提自检测方法进行了仿真研究,仿真结果表明该模型能够准确预测转子轴向位移。进一步的试验结果表明,该方法具有良好的轴向位移自检测性能,实现了轴向主动磁轴承无位移传感器下稳定悬浮运行。     

超临界压力低温甲烷波纹管内强化换热数值研究

以发动机主动再生冷却系统为研究对象,建立了碳氢燃料热物性高精度计算方法,在此基础上对超临界压力下低温甲烷在水平波纹管内的流动换热现象展开数值研究,初步分析了波纹管强化换热机理。进一步系统研究了波纹管节高比、管壁材料导热系数、壁面热流密度、入口压力以及雷诺数对强化换热和阻力特性的影响,并采用综合换热性能评价准则对各种因素的影响进行评价。研究表明:在超临界压力下合理选择波纹管可以显著提升换热能力,消除传热恶化现象,并且不会带来明显的压降损失;存在一个最优波高和最佳雷诺数,使波纹管具有最优的综合换热性能;增大管壁材料导热系数和甲烷入口压力可提高换热能力。     

基于夹具主动定位补偿的飞机柔性件装配偏差优化方法

柔性零件广泛用于航空、汽车等产品中,在柔性件的装配过程中,装配尺寸质量受零件制造、夹具和连接过程中多种偏差源的耦合影响,分析和控制难度大。提出了一种基于夹具主动定位补偿的装配偏差优化方法。首先,基于柔性件装配的受力变形分析,建立了考虑夹具法向定位误差的装配偏差模型。然后,根据上述模型,以夹具法向定位补偿量为优化变量,提出了夹具法向补偿量的优化模型和求解算法。以金属薄板装配和飞机壁板件装配为例,分别利用实验及有限元仿真分析了有无夹具主动定位补偿下的装配偏差。结果表明,夹具法向定位补偿对于减小柔性件的装配偏差具有显著效果,从而验证该优化算法的有效性和准确性。     

基于IBC方法的旋翼BVI噪声主动控制机理

为揭示单片桨叶控制(IBC)主动控制技术抑制旋翼桨-涡干扰(BVI)噪声的降噪机理,建立了一套基于CFD/CSD/FW-H_pds方程的综合噪声分析方法。旋翼桨-涡干扰噪声与旋翼桨叶载荷特性、气动变形以及旋翼桨尖涡结构等密切相关,为有效模拟旋翼桨叶的载荷特性及桨尖涡结构,将Navier-Stokes方程作为前飞流场的主控方程,空间离散上采用三阶MUSCL插值格式与通量差分裂Roe格式相结合;时间方向上采用双时间法,使用隐式LU-SGS格式在伪时间方向上进行推进;湍流模型采用对分离流动具有较好捕捉能力的Spalart-Allmaras模型。为提高旋翼桨叶弹性变形运动的模拟精度,建立了基于Hamilton变分原理的CSD模型,并与高精度的CFD求解器结合,发展了适合旋翼桨叶变形及载荷特性模拟的流固耦合分析方法。在CFD/CSD耦合方法分析流场基础上,使用可穿透空间积分面的FW-H_pds方法对旋翼气动噪声特性进行计算。首先,对流场及噪声数值方法进行验证;然后,着重针对UH-60A旋翼的斜下降飞行状态,分别对有/无IBC噪声主动控制条件下的旋翼BVI气动噪声特性进行了模拟,相位角、幅值和频率等不同控制参数的影响对比分析结果表明:IBC主动控制减小了前行侧桨叶表面尤其是桨叶尖部的负压峰值,降低了桨-涡干扰发生位置附近的桨叶气动载荷;同时主动控制后的桨尖涡集中程度变弱,并且增加了桨叶与桨尖涡之间的相遇距离,从而显著降低了桨-涡干扰噪声;选取合理的相位角、幅值和频率等主动控制参数组合,BVI噪声降低可达5~7dB。