基于大涡模拟的离心式喷嘴雾化过程研究

为实现离心式喷嘴雾化过程的精确数值仿真,探究喷嘴内部流动特性与外部液膜破碎形式,采用基于大涡模拟的仿真方法,对一种典型的四进口离心式喷嘴进行研究,仿真结果揭示了喷嘴内部相界面的振荡现象与外部液膜的破碎细节,并通过耦合流体体积法（VOF）与离散相模型（DPM）,获得液滴粒径的空间分布特征。研究结果表明：在液体填充过程中,喷嘴内的气液相界面存在波动与褶皱,形状并不稳定,内部的空气芯直径呈现正弦模式的振荡变化,喷嘴出口液膜厚度沿周向分布不均,这些因素导致出口附近的液膜表面出现扰动。在不同的进口条件下,不稳定性导致液膜表面上的扰动波形式不同。进口压力为0.3MPa时,液膜破碎由开尔文-亥姆霍兹（K-H）不稳定性产生的轴向正弦波所导致,产生沿周向分布的环形液带;在0.7MPa下,液膜表面开始出现由瑞利-泰勒（R-T）不稳定性引发的周向扰动波;随着压力增加至1.1MPa,液膜的破碎则由R-T不稳定性主导,产生沿轴向分布的液带结构,随后在气动力与表面张力的作用下破碎成液滴。二次雾化破碎后,喷嘴外部截面内的粒径呈“单谷”分布,液滴平均粒径计算结果与实验的最大相对误差为5.1%,与实验数据吻合度较高。     

串列叶片气动设计及优化

为了进一步提高风扇/压气机的负荷水平,对串列叶片进行了研究。采用理论方法分析了串列叶片相对于常规叶片的 负荷优势区间,并利用低速大尺寸压气机试验台进行了对比试验验证。结果表明：当负荷系数大于0.46时,串列叶片表现出明显 的优势,可以将负荷系数为0.46作为串列叶片优势区间的临界点。采用数值模拟方法分析了亚声速和超声速串列叶型前后排的 相互影响机制,总结了串列叶型流动控制原则和优化设计思路,给出了典型亚声速和超声速叶型的优化设计结果。结果表明：优 化后的亚声速和超声速串列叶型设计点损失分别减少了6%和20%,可用攻角范围分别拓宽了2°和0.5°。完成了负荷系数为0.4 的双级风扇串列叶片出口级方案设计论证。结果表明：与常规方案相比,在常用转速范围内,串列叶片方案的压比明显提高,中低 转速堵塞流量和等熵效率也明显提高。     

级间进出口几何角度对压气机气动性能和封严效果的影响

为了削弱级间泄漏流对压气机性能的不利影响,提出了一种基于Coanda型几何进出口的级间结构,并以一个亚声速单级轴流压气机为研究对象,数值模拟了5°,10°,20°三种不同级间进出口几何角度对压气机性能的影响。结果表明:改进后的级间进出口几何结构使得压气机流量和效率均略有提升。分析原因是级间出口泄漏流以较小角度与主流汇合,增大了静叶进口气流的轴向速度、径向速度,使得静子通道流动堵塞程度减轻,总压损失减小,扩压能力增强。同时,新结构还减小了级间泄漏流的流量系数,改善了级间封严效果。5°,10°,20°角度下的压气机效率最大分别提升了0.68%,0.63%,0.62%。     

基于压电纤维复合材料的离心叶轮叶片高阶模态测量

为准确获取离心叶轮叶片的高阶振动特性及其模态,利用压电纤维复合材料(Marco fiber composite,MFC)对离心叶轮叶片进行模态测试。设计了MFC激励系统,提出了MFC选型、激励和测点位置的确定方法,研究了不同信号的高阶模态激励效果,并分析了MFC附加质量和刚度对叶片固有频率和模态的影响;结合有限元仿真结果,对比分析了前20阶振动模态的异同。试验结果表明:MFC具有操作简单、重复性好、信噪比高、能够稳定激励出高阶模态等优势,计算模态与测量模态吻合较好,在第6～8阶与第12～15阶之间存在模态密集区域;MFC附加质量和刚度对实验固有频率的影响低于4%。提出的MFC激励方法可用于具有较高固有频率的航空发动机部件的模态测量。     

宽裕度超声叶型气动优化设计

通过与德国航天局设计的超声预压缩叶型PAV-15试验数据比对,确定高精度超声叶栅流场计算方法,研究表明:根据激波位置分段调整流管厚度可提高计算与试验结果的一致性。为提高超声叶栅稳定工作裕度并保证设计点性能,建立根据目标裕度估算喘点反压方法和优化设计方法。对两个超声叶型进行多目标优化,优化结果表明：优化叶栅可减小设计工况槽道激波入射角、减小激波及激波附面层干扰损失;气动喉道前移、结尾正激波后移,提高叶栅耐反压能力。两个优化叶型在保持总静压比不变的前提下,稳定裕度均达到设计目标,设计点损失也有所下降。     

风车状态下转子性能及通道内流动分析

为探究低展弦比压气机转子在风车状态下由压气机模式向涡轮模式转化过程中性能、内部流场结构以及气动损失的演化过程,提出了一种基于叶片和流体间能量传递的简化数值计算方法,以获得某转速下的风车状态临界流量点。在数值模拟的基础上,重点对比了同一转速线上压气机工况点(小流量工况)、风车临界点和涡轮工况点下叶尖泄漏损失的演化机制,同时探究了叶片通道内流动分离的演化过程。 结果显示,随着转速的增加,转子风车状态临界流量呈现近似线性的变化趋势。而同转速下随流量增大,叶尖泄漏流从吸力面流向压力面,并与压力面上的低能量流体进行掺混,造成了流动堵塞。同时,从压气机模式转向涡轮模式的过程中,叶尖区域的流动分离从吸力面分离转变为压力面分离,随后分离强度和尺寸逐渐增大,造成的气动损失显著增加;而在轮毂区域,流动分离始终保持吸力面分离,其分离尺度沿径向有所发展。     

基于中弧线曲率控制的压气机叶型优化

为提高压气机叶型优化设计水平,基于中弧线曲率控制方法编写了压气机叶片造型程序,将中弧线曲率控制参数作为优化变量,结合粒子群寻优算法对传统可控扩散叶型(CDA)进行了优化研究。结果表明:基于中弧线曲率控制的叶片造型程序能够对CDA叶型进行较好的拟合,拟合叶型的气动性能与设计要求较符。优化叶型在设计点的总压损失降低了约6.34%,优化叶型总压损失随攻角变化较为平缓。在一定攻角范围内,叶型中弧线曲率峰值的前移能够将吸力面马赫数峰值前移,提高叶型吸力面的扩压能力,降低总压损失。在大攻角工况下,改进的中弧线曲率分布能够显著降低叶型总压损失。将中弧线曲率控制参数作为优化变量进行CDA叶型的优化是可行的。     

三旋流燃烧室喷嘴雾化性能试验研究

为了获得三旋流燃烧室喷嘴雾化性能与喷嘴几何尺寸的相互关系,针对供油压力以及旋流槽长宽比和旋流槽角度等关 键结构参数对燃油流量、喷雾锥角和雾化性能的影响进行了试验研究。采用3 维相位多普勒粒子分析仪测量了某一直线上各点的 索太尔平均直径和数密度分布,以及Rosin-Rammler 分布的特征直径和均匀度指数。结果表明：当供油压力提高时,燃油流量和喷 雾锥角增大;旋流槽几何尺寸的变化对燃油流量和喷雾锥角有不同的影响,当旋流槽长宽比和旋流槽角度增大时,燃油流量减小, 喷雾锥角增大。研究所获得的规律为三旋流高温升燃烧室的喷嘴优化设计提供了重要的理论依据。     

唇口几何参数对短舱进气道性能影响数值研究

针对下一代民用涡扇发动机短舱长径比不断缩小的发展趋势,为改善发动机进口气流参数分布不均、改善进气道的流场结构、提高其气动性能,开展了进气道唇口关键几何参数对短舱进气道流动特性影响的研究。通过CFD数值模拟方法研究了进气道收缩比、唇口超椭圆指数以及唇口超椭圆长短轴比对短舱进气道性能的影响。研究发现,这三个设计参数改变时,均会对进气道性能产生直接的影响,对畸变指数的影响最明显,其中收缩比改变的影响最大,当收缩比每改变0.025,畸变指数的变化率最大可达到50%。进口收缩比的改变影响喉道截面的流动,超椭圆指数变化影响了进口前缘曲率的变化,而超椭圆长短轴比变化影响了进气道唇口内型面的曲率;超椭圆长短轴比越大,超椭圆指数越小,收缩比越大,唇口初始压力损失越大,壁面摩擦损失越大,进气道总压恢复系数越低,畸变程度越高。     

大功率舰船燃气轮机压气机增容模化设计研究

某重点项目的船用燃气轮机领域提出了更高等级功率燃气轮机的要求。为了在研制周期内快速设计一型压气机,以现有机型为母型机进行模化设计,在母型机特性图上合理选择模化点,确定模化比,得到增容后模化机的叶片和几何通流结构,划分网格时,充分考虑叶顶间隙、倒角、引气孔、梳齿密封等,以更接近于工程实际情况,对模化机进行全三维数值模拟计算,结果表明,模化机设计点性能指标达到要求,非设计工况喘振裕度基本与母型机相同,模化后叶顶相对间隙的降低会带来阻塞点流量的升高、失速点流量的降低,导致低转速下喘振裕度的升高和高转速下喘振裕度的降低。总体来说,模化增容设计继承了母型机优良的气动性能,为快速、高效研发新机型提供宝贵经验。