超燃冲压及TBCC组合循环发动机尾喷管设计方法研究进展

随着对远程、宽马赫数范围内高速飞行器的需求日益迫切,超燃冲压发动机(Scramjet)、甚至未来涡轮基组合循环发动机(Turbine Based Combined Cycle,TBCC)等已成为国内外研究的焦点。推进系统是高超声速飞行器能否实现宽马赫数范围内高效工作的关键,而非对称喷管(Single Expansion Ramp Nozzle,SERN)是其重要组成部分和关键技术之一。本文主要分析了远程、宽马赫数范围内高速飞行器对其发动机尾喷管的特殊要求,简要回顾了国内外相关的研究进展,重点介绍了本课题组针对超燃冲压及组合循环发动机尾喷管设计方法的主要工作和研究进展。结果表明:在大落压比下,不同的设计方法对非对称喷管的气动性能,特别是升力和俯仰力矩影响较大。最后对未来的研究进行了展望,旨在总结目前的相关研究进展,梳理关键科学与技术问题,为后续的研究工作提供参考。     

液环泵叶轮叶片轴向叶顶间隙微射流流动机理及性能分析

液环泵的轴向间隙泄漏流对其水力性能有重要的影响,为了抑制其叶片轴向叶顶间隙泄漏流动,提升水力性能,以2BEA-203型液环泵为研究对象,在叶片轴端间隙引入微射流,采用数值模拟方法对比分析微射流对间隙泄漏流场及液环泵性能的影响机理。分析结果表明:轴向间隙射流能够有效地抑制间隙泄漏,液环泵的效率及真空度均在一定范围内提升。叶片轴向间隙内射流孔出口处会形成一相对高压区,微射流排挤占用一部分间隙的流道,部分射流与压力面泄漏流相互作用形成间隙涡,阻滞泄漏流动,使得叶片间隙泄漏流强度降低,叶片背面后方的泄漏涡前移。液环泵叶轮轴向间隙泄漏流存在复杂的时空分布特征,湍动能分布由吸气区沿叶旋方向逐渐增强,受微射流抑制作用,射流型叶轮间隙吸力面侧的湍动能强度要明显弱于原型叶轮间隙;泄漏流强度沿弦线方向逐渐减弱,微射流的部分流体沿弦线方向流入叶片轴向间隙,排挤占用下游间隙的流道,提升了叶顶间隙的密封性能。      

波形隔板形状对通道流动和换热的影响

采用数值模拟的方法,对基于波形隔板结构涡轮叶片尾缘复合通道的换热和流阻特性进行研究.设计了一种直隔板和三种不同折角的波形隔板结构,研究波形角度对通道中流动和换热的影响.数值结果表明,波形隔板结构折角越小,对整个通道,换热越好,尤其是对于第1通道,换热增强最大可达30%;同时折角越小,通道的流阻系数越大;从换热和流阻的综合效果来看,150°折角波形隔板结构和直隔板结构(180°折角)相当,120°折角和90°折角波形隔板结构的综合换热效果比直隔板结构的略大.      

涡轮冷却叶片寿命可靠性分析参数化仿真平台

目前,涡轮冷却叶片等复杂结构的多模式寿命可靠性分析中存在各功能模块的集成与管理不成体系、参数化联合调用技术不完善的工程应用问题。针对这些问题,完善了随机不确定性下涡轮冷却叶片多模式寿命可靠性分析的工程化方法,搭建了多模式寿命可靠性分析的参数化、多软件联合仿真平台,为某型号叶片寿命可靠性分析提供合理的工程化方法及高效便捷的自动化实现工具。主要工作包括：一建立了不确定性环境下含孔、肋及空腔复杂结构网格划分和结构有限元仿真的参数化方法,实现了随机变量不同取值下仿真的自动执行,解决了可靠性理论方法应用至复杂工程结构的瓶颈问题;二在经回归处理的概率寿命曲线中考虑温度插值及多失效模式串联系统,拓展了概率寿命曲线的应用范围,使得所建涡轮叶片寿命可靠性模型更符合实际;三提出了可靠性分析数字模拟过程中嵌入包括有限元结构分析和疲劳寿命极限状态面两方面的双层自适应代理模型方法,该自适应策略可在保证寿命可靠性分析精度的基础上提高效率。通过所建平台在某型号叶片上的算例分析及与蒙特卡洛法参考解的对比,验证了所提多模式系统寿命可靠性分析工程化方法的高效和准确性及仿真平台的实用性。     

主流偏角对单排圆柱型气膜孔冷却特性的影响

数值模拟研究了主流偏角对单排圆柱型气膜孔冷却特性的影响,在气膜孔中心间距相等的计算条件下,在吹风比为1.0时,计算结果与主流和气膜孔都无偏角、主流无偏角而气膜孔有45°偏角这两种流动情况做了对比.结果显示:相对于主流和气膜孔都无偏角时,主流有45°偏角而气膜孔无偏角时气膜平均冷却效率更大,分布更均匀;相比于主流无偏角而气膜孔有45°偏角时,在气膜孔附近处,主流有45°偏角而气膜孔无偏角时气膜平均冷却效率更小,在远离气膜孔的下游位置处,气膜平均冷却效率更大.另外在吹风比为0.5和1.5条件下进行了数值模拟,结果也显示3种流动情况气膜冷却效率分布存在明显差距,有必要对主流偏角对单排气膜孔冷却特性的影响做进一步的实验和数值研究.      

1+1/2对转涡轮非定常流动数值模拟

为了掌握对转涡轮内部的复杂流动以改进航空燃气轮机的设计,利用数值模拟手段对所设计的1+1/2对转涡轮内部非定常流动进行了研究,将定常和非定常结果进行了详细的对比分析,结果表明:非定常结果与定常结果相比出功比减小,总效率约减小0.44%,流量基本不变,其中尾迹、激波、位势作用以及泄漏流等因素之间的相互作用是影响非定常特性的主要因素.      

旋转对带斜肋和双排孔通道孔流量系数影响

为了获得工作叶片内部通道布置斜肋情况下的气膜孔流量系数,利用商业软件对带60°肋和双排气膜孔出流的旋转矩形通道内的流场进行了数值模拟.通道入口雷诺为数60 000,罗斯贝数为0,0.11,0.22,气膜孔总出流比0.22.通道静止时,计算结果与实验数据符合较好,左侧孔和右侧孔的流量系数差别不大.通道顺时针旋转时,两个孔的平均流量系数增加90%左右,左侧孔流量系数是右侧孔流量系数的4～5倍.通道逆时针旋转时,两个孔的平均流量系数减小10%左右,左侧孔和右侧孔流量系数基本相同.      

涡轮螺旋桨发动机桨叶角测量试验

详细介绍了涡轮螺旋桨发动机桨叶角测量方法,包括桨叶角传感器的研制、安装以及测试系统数据遥测、采集处理整个无线传输过程。该方法在运八飞机试验平台上成功地进行了飞行验证,为验证螺旋桨空中调节和运行规律提供了宝贵的试验数据,对于今后螺旋桨、旋翼及其它高速旋转部件的试飞测试具有重要参考价值。     

温度分布对自由盘层流换热的影响

在盘面过余温度为半径的多项式分布的第1类热边界条件下,对自由盘不可压层流流动和换热进行了数值模拟,盘面局部努赛尔数的计算值与理论解相比符合很好。计算结果表明:过余温度成倍变化时,盘面局部努赛尔数不受影响;过余温度按n次单项式分布时,盘面的局部努赛尔数与所有按n次多项式分布时所得局部努赛尔数相比为最大;过余温度为任意多项式分布时,盘面局部努赛尔数数值上介于过余温度单独按该多项式的最高次和最低次分布所得到的局部努赛尔数之间,且随最高次项系数的增大而增大、随最低次项系数的增大而减小、随着中间次数项的系数在低半径区域增大而增大在高半径区域增大而减小。通过对计算数据的分析,给出和验证了过余温度按任意多项式分布时盘面局部努赛尔数的计算公式。     

涡轮叶片尾缘冷却特性数值研究

为了研究不同叶片尾缘结构对气膜冷却效果的影响规律,设计了三种尾缘结构,采用数值模拟的方法分别对其冷却效果进行了研究。研究结果表明:(1)三种尾缘结构的冷却效率沿壁面的分布有很大差异,针对模型Ⅰ,在小吹风比时,冷却效率沿尾缘壁面逐渐减小;而在大吹风比时,冷却效率呈现逐渐升高的趋势;(2)模型Ⅱ和模型Ⅲ的冷却效率沿壁面均呈现逐渐降低的趋势,但二者降低的规律又不相同;(3)在相同壁面位置,模型Ⅲ的冷却效率最高,模型Ⅰ的冷却效率最低,因此可以认为,模型Ⅲ所示的尾缘结构更有利于叶片尾缘的冷却。