基于分离涡模拟的平板气膜涡系结构与流动损失数值研究

气膜冷却在保护高温部件的同时,主流与冷气干涉会形成复杂的涡系结构并造成掺混损失,研究二者之间的作用机理对指导气冷涡轮优化设计具有重要意义。本文采用DES (Detached-Eddy Simulation)方法对平板圆柱气膜孔的流场进行非定常数值模拟,分析了涡系演变规律以及掺混损失。结果表明：随着吹风比的提高,冷气射流与主流的流动掺混过程表现为两种不同的模式,低吹风比时下游冷气主要受顺时针方向的迎风涡控制,高吹风比时逆时针方向的迎风涡和顺时针方向的背风涡同时控制下游冷气运动;频谱分析显示,流场扰动存在着明显的倍频关系,基频信号由脱落涡产生,频率大小与吹风比呈线性关系;损失分析表明,流场损失主要由冷气与主流的温差换热导致,占总熵损失的90%以上。     

油气匹配对燃烧室不稳定性的影响

为抑制全环燃烧室在加温加压条件下的高幅度脉动,研究了燃烧室高幅脉动产生机理和油气匹配对燃烧不稳定的影响,结果表明：实验捕捉到了脉动增大的过程,主频为40 Hz的低频脉动,并产生了倍频,压力脉动引起火焰筒壁温发生了2%的波动,造成了燃烧不稳定;仿真计算发现随着燃烧室进口参数的提高及主油路开启导致的雾化变差会使得压力脉动的频率降低,脉动量升高44%;燃烧室进口压力、温度相对基准工况分别降低15%和30%（工况1）或者提高10%和26%（工况6）时可抑制脉动;增加主油路开始工作附近工况的主油路燃油占比后,脉动量总体有较大的减小;抑制脉动的最佳主副油路分配方案为Case3,相对基准方案提高工况2~工况6主油路燃油占比4%时可消除不稳定燃烧;主油路占比在超过一定值,又会使得脉动量升高。     

圆周进气对流掺混流动研究

为了研究纯径向向心涡轮出口对流撞击掺混流动组织结构,采用大涡模拟对圆周进气的对流掺混流动进行了数值仿真,并用本征正交分解(POD)方法,提取和分析了不同阶模态下的流动结构。结果表明:在水平截面,底部中心形成一个滞止区,两侧壁面附近均存在一个回流区,且流动是近似对称的;在剪切力作用下,沿流动方向,旋涡结构的不稳定性增强,上游三维涡环结构逐渐拉伸、膨胀,破裂为复杂的涡辫或发卡涡结构,这增强了掺混,从而使得流体间的动量和能量交换增强;POD结果中第1阶模态所占的能量权重最高,表明脉动场中的大部分能量主要集中在此模态,此模态中的流动结构为主要流动结构。     

跨声速压气机轴承腔封严泄漏影响机理

目前，针对跨声速压气机轴承腔封严泄漏的相关分析尚不充分，泄漏流与主流相互作用的形式尚存在争议。为解决该 问题，基于某跨声速压气机与轴承泄漏腔模型，采用3维N-S方程组及k-ω湍流模型，边界条件与试验环境保持一致，对变工况下 轴承腔封严泄漏流发展特性及其对压气机性能的影响机理进行了研究，重点分析了一种显著影响压气机主流稳定性的掺混涡结 构。结果表明：当封严篦齿泄漏流进入右封严腔时，空腔效应会在篦齿出口区诱发大尺度回流涡，从而对齿端间隙泄漏流起到阻 碍作用；当泄漏流量由0.72%进口流量增大至1.9%进口流量时，转子通道激波由约55%弦长位置移动至65%弦长位置。轴承腔 泄漏流对压气机转子性能的不利影响主要在于转子通道激波后移以及2股掺混涡的产生。     

不同淬熄结构下RQL燃烧室流场特性的数值研究

采用雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方法对不同淬熄结构的富油/淬熄/贫油(RQL)燃烧室内定常掺混流动过程进行了数值模拟,分析了不同截面的流场结构,研究了动量通量比及淬熄孔排布方式的影响。结果表明:射流进入RQL燃烧室后发生偏转且偏转方向和旋流方向有关,回流区长度、穿透深度和高湍动能区随着动量通量比的增大而增加;当J≥80时,淬熄射流下游出现高湍动能区,逐渐与上游融为一体;当J≥120时,回流区的长度基本不再发生明显变化。此外,非中心对冲结构C3具有更大的高湍动能区,掺混更均匀。      

粗糙度对多级压气机性能影响的数值模拟研究

为了研究粗糙度对多级压气机气动特性的影响,采用三维数值模拟软件CFX,对3.5级压气机进行了研究。结果表明,相比于端壁粗糙度,叶片表面粗糙度对压气机性能影响更大;不同转速下,叶片表面粗糙度的增大会造成压气机压比和效率的降低,并且粗糙度增大越快,性能衰退也越快,其中设计转速下粗糙度对压气机的性能影响更大,当叶片表面粗糙度达到50μm时,峰值效率下降了5.25%,对应压比下降了1.33%。前面级叶片表面粗糙度加剧了后面级角区分离和尾迹损失,在压气机性能下降中所占比重更大;而最后一级粗糙度对分离区的影响很小,主要是增加了尾迹掺混造成的损失。单级粗糙度对压气机稳定工作区间影响很小,而全部级粗糙度增大了压气机的稳定工作区间,这是由于粗糙度造成的近失速点处的流量下降相比于堵塞流量的下降程度更大。     

下颌式进气道固冲发动机二次燃烧性能研究

针对采用下颌式进气道的固体火箭冲压发动机,建立了二次燃烧性能计算模型,对掺混燃烧性能进行了仿真研究。研究表明,采用掺混装置可大幅提升下颌式进气道的固冲发动机补燃室一次燃气和空气的掺混均匀度,并通过数值仿真对掺混装置进行了优化。结合数值仿真优化结果,通过地面直连试验,验证了不采用与采用掺混装置的补燃室二次燃烧性能。试验结果表明,合理设计掺混装置,可显著提高补燃室二次燃烧性能,特征速度燃烧效率均在93%以上;空燃比在6~20之间的发动机高空比冲提升了55%以上,空燃比在20~30之间的发动机高空比冲提升了75%以上。     

多级轴流压气机展向掺混的数值模拟

在紊流扩散模型的基础上, 通过引入二次流造成的气流过转折/欠转折影响, 完成了S₂流面的展向掺混数值模拟。分别用Galimore-Cumpsty掺混模型或Baldwin-Lomax紊流模型计及紊流扩散的作用;落后角的预估在二维Carter公式基础上引入了Roberts二次流修正模型。应用上述方法对两台3级轴流压气机进行了计算。计算的出口总温、总压等参数与实验较吻合, 与其他单独考虑紊流扩散和二次流效应的掺混计算结果比较表明了本文方法的有效性。      

考虑来流边界层的超燃燃烧室喷射特性

针对超燃燃烧室中的燃料掺混问题,采用基于雷诺平均Navier-Stokes的数值模拟方法分析了考虑来流边界层条件下的燃料横向射流流场特征及其掺混特性.研究发现:对于确定的来流边界层,燃料喷射存在一个临界动压比.当动压比低于该临界动压比时,增大来流边界层能明显提高燃料的穿透深度和掺混效率.而当动压比大于该临界动压比时,来流边界层厚度对燃料的穿透深度和掺混效率几乎没有影响.对于所研究的流动状态,该临界动压比约为0.900.在相同动压比下,所选厚来流边界层条件下的总压恢复系数仅约为薄来流边界层的0.93倍.其中,来流边界层内的摩擦损失是造成超燃燃烧室低总压恢复的主要因素,而改变来流边界层厚度对喷流及下游流场总压损失造成的影响相对较小.