DDES方法在复杂旋翼流场计算中的应用

应用延迟脱体涡模拟（DDES）方法,进行了复杂分离流动旋翼流场的数值模拟研究。为控制计算规模,更好地模拟旋翼桨叶近壁面附近区域流动分离及远场尾迹发展,采用了贴体与背景自适应直角网格嵌套的网格系统;同时为提高计算速度,采用了基于分布式存储的数据并行模式,实现了贡献单元搜索、洞切割和流场计算的并行化。计算工作包含一个共轴双旋翼悬停和单旋翼下降状态,目的是分别讨论DDES方法在旋翼表面附近空间区域是否存在大范围分离时计算结果与雷诺平均Navier-Stokes结果之间的差异。计算表明,对于下降状态,DDES方法预测出了更强的尾迹区分离流动;对于桨叶表面基本为附着流动的双旋翼中等桨距角情况,两种方法预测的流场结构相似,仅在下旋翼桨叶气动力和旋翼桨根下方空间区域的诱导速度计算结果上存在微细差异。     

涡波效应宽速域气动外形设计

拓展了密切锥乘波体设计方法的应用,推导了设计方法中激波出口型线、流线追踪起始线与平面形状轮廓线之间的几何关系,建立了定平面乘波体设计方法。通过定制乘波体的平面形状引入涡效应,提出涡波效应宽速域气动布局的概念,即在高超声速状态下使用激波效应、在低速状态下使用漩涡效应提升布局的总体性能。以双后掠布局为例,使用CFD方法评估其高速和低速状态的气动性能,与带锥体的平板进行对比,分析了升阻比、升力系数以及流场特性,初步给出了非线性增升效果。计算结果表明：当前定平面乘波体布局在低速状态和高超声速状态均具有较好的气动性能,弥补了传统乘波体的性能缺陷,为宽速域气动布局的设计提供了新的思路。     

一种高阶精度大涡模拟技术用于激波/火焰相互作用

基于Smagorinsky亚格子模型和增厚火焰技术,开发了一种高阶精度的反应流大涡模拟求解器,运用于数值研究边界层对激波与火焰相互作用的影响。该求解器的核心在于加入了基于超黏性的激波捕捉技术和时空三阶精度的两步Taylor-Galerkin紧致（TTGC）有限元格式,并通过对一维Shu-Osher问题和二维激波/气泡相互作用问题的计算,验证了求解器对激波、接触间断和湍流脉动等流动细节的捕捉精度,计算结果与实验数据吻合良好。通过对激波管内激波、火焰与边界层相互作用问题的数值模拟,发现由于激波与边界层的相互作用会产生不稳定的激波分叉现象,激波三分叉点传播速度的发展经历了水平匀速运动、小斜率线性增长和大斜率迅速增长3个阶段,由此揭示了激波分叉促进火焰加速的机理。当火焰面传入激波分叉区后,流场不均匀的回流区起到了稳定火焰的作用,一方面分叉结构内火焰面能够为激波的运动持续地供应热量,另一方面局部超声速区域为火焰的快速传播提供动力,使其能紧跟激波。通过对比相同条件下甲烷和乙烯燃烧的数值结果,发现两者爆震点触发的位置都出现在马赫杆后面,热量释放率的变化趋势也大致相同,但乙烯出现爆震的时间比甲烷早。     

中心线变化规律和膨胀比对圆转方过渡段流场形态的影响

为了获得流道中心线变化规律和截面膨胀比ε对圆转方过渡段流场形态的影响规律,在某型发动机的真实工况下,分别对3种中心线变化规律(前缓后急、缓急相当、前急后缓)和5种膨胀比(1.00,1.01,1.03,1.05,1.07)的圆转方过渡段结构进行建模计算,得到了圆转方过渡段内部流场形态、总压恢复系数和流向涡涡量的变化规律。结果表明:不同结构的横截面静压和速度分布差异较大。前急后缓结构在圆转方横截面出现明显的角涡;在三种中心线变化规律结构中总压恢复系数沿流向均呈下降趋势,流向涡涡量沿流向均呈先增大后减小的趋势,三种结构的流向涡涡量最大值从大到小依次为前急后缓结构、前缓后急结构和缓急相当结构,最大最小值相差19%。随着膨胀比的增大,在圆转方横截面会出现角涡;在不同膨胀比结构中总压恢复系数沿流向均呈下降趋势,流向涡涡量沿流向均呈先增大后减小的趋势,膨胀比1.03结构的局部流向涡无量纲涡量比1.07结构小40.9%。缓急相当中心线变化规律和膨胀比ε=1.03为最佳结构参数。     

基于相似原理的风车状态进口空气流量和内阻力估算方法

风车状态进口流量和内阻力是试飞安全评估中必须获取的重要信息。为评估燃烧室空中复燃能力和风车状态下飞机阻力,在1维管流理论基础上,结合流量连续原理,介绍了1种通过直接测量尾喷管出口马赫数、间接获取空气流量和内阻力的测量方案,并根据相似原理,将其推广应用至不同几何的发动机,发展了1种不依赖发动机部件特性,且适用于不同几何结构的涡喷/涡扇发动机通用的风车状态空气流量和内阻力估算方法。最后以GE公司的CF34-10A发动机为例,对其风车状态下的进口空气流量和内阻力进行了估算,估算结果与GE公司提供的风车状态数据吻合,满足工程需求。该方法对多发飞机起飞、爬升、着陆以及巡航阶段单发失效时的飞机阻力性能估算和风车起动研究具有重要意义。     

开裂式阻力方向舵流固耦合机理分析

为了探究阻力方向舵开裂状态下的流场形态和流固耦合运动机理,采用计算流体力学(CFD)方法开展了不同开裂角下的二维阻力方向舵的流场计算。基于动力学模态分解(DMD)方法对各流场进行模态分解,分析了各模态的流动特征及频率变化。结果表明,在20°开裂角的范围内,机翼绕流的流场结构以开裂区内的驻涡及后缘脱落涡为主,流场各阶模态频率随来流速度的增大而增大,随开裂角的增大而减小。同时,对不同开裂角的二维翼型开展了流固耦合计算。结果表明,随着折减速度的增加,系统的流固耦合运动形式由涡致振动发展为流动失稳,系统的失稳边界随着开裂角的增大而提高。     

涡轴发动机超扭试验标准研究

GJB 242A-2018《航空涡轮螺桨和涡轮轴发动机通用规范》在GJB 242-1987基础上新增了超扭试验,这在国内尚属首次.针对该试验内容理解存在争议、困扰试验开展的问题,基于国内外6部主要军标和适航规定,详细分析了超扭试验的考核方式、试验目标、合格判定准则,从动力涡轮扭矩、燃气涡轮温度、动力涡轮转速、滑油温度、...     

航空发动机涡轮盘轮缘凸块塑性变形失效分析

针对某航空发动机在工作过程中发生的涡轮盘轮缘凸块局部异常塑性变形故障,对故障涡轮盘进行失效分析。在此基础上,通过开展无应力及附加应力的加热模拟试验,总结了GH4169合金组织中δ相的3种析出形貌,以及加热温度、时间、应力3种因素对δ相析出的影响规律。通过对比硬度测试及温色试验结果,明确了GH4169合金试样在700℃以下组织和硬度无明显变化,但颜色变化明显;在700℃以上,随着δ相析出量的增加其硬度不断减小,而颜色却几乎无变化。结果表明：故障涡轮盘轮缘凸块部位的塑性变形是由于发动机工作过程中超温引起的,故障部位的实际工况达到了约750℃、100 h左右的超温。落实改善涡轮盘轮缘的冷却环境、提高涡轮部件加工及装配精度的改进措施后,涡轮盘通过了首翻期加速模拟、经起飞状态摸底和适航状态长时试车验证,无类似故障再次发生。     

基于CRBMs-RVR的涡轴发动机输出功率衰退预测

针对涡轴发动机全寿命期内输出功率衰退预测问题,提出一种含多层连续受限玻尔兹曼机（CRBMs）深度特征提取的相关向量回归（RVR）功率预测方法。对发动机气路部件测量数据进行重构,利用CRBMs深度网络提取数据深层特征,将特征数据作为RVR模型的输入,实现对输出功率的预测,并对预测结果提供概率分布。以某型双转子涡轴发动机部件级模型为试验对象,模拟全寿命期内发动机气路部件性能退化,对输出功率进行衰退预测。试验结果表明：基于CRBMs-RVR的预测模型与传统的RVR预测模型相比,训练时间缩短30.2%,预测结果的均方根误差减小64.6%;与基于主成分分析（PCA）进行特征提取的PCARVR预测模型相比,预测结果均方根误差减小42.4%,验证了所提出的预测方法具有模型结构简单、预测精度高、可提供概率式输出的优点。     

基于需用功率预测的直升机/发动机综合控制方法

为了提高涡轴发动机在直升机飞行状态突变时的响应速度,提出一种基于需用功率预测的直升机/发动机综合控制方法。通过逐步回归分析法对直升机需用功率影响最大的5个变量进行选取,并以这5个变量为输入量,根据多元拟合方法建立直升机需用功率预测模型,基于所建立的预测模型,采用预测需用功率信号在发动机控制回路的燃气涡轮转速指令位置进行前馈线性补偿,设计了直升机/发动机综合控制方法。经过UH-60A综合仿真平台验证,结果表明：所提出的综合控制方法相比于传统串级PID控制方法,可以有效减少动力涡轮转速超调量或下垂量60%以上;相比加入总距前馈的控制方法,可以减小动力涡轮转速超调量或下垂量20%以上;可以有效加快发动机响应速度,缩短发动机响应时间1 s以上,极大提高了发动机的稳定性及鲁棒性。