基于CFD和CSM耦合的通用静气弹分析方法

提出了一种适用于有限元精细化建模的流固耦合插值点选择方法,通过RBF(径向基函数)方法实现流固耦合面的数据交换,实现了基于CFD/CSM(computational fluid dynamics/computational structural mechanics)耦合的通用非线性静气弹分析方法。以HIRENASD(high Reynolds number aero-structural dynamics)风洞试验模型为验证对象,数值结果很好地与风洞试验结构变形、气动压力分布吻合,验证了所发展非线性CFD/CSM耦合静气弹求解器的精度。详细研究了HIRENASD模型在大迎角(AOA)流动下的静气动弹性特性,以及该模型弹性变形对机翼气动特性影响规律。研究表明:HIRENASD弹性模型变形后其升力小于刚性模型;在小迎角范围内刚性、弹性模型升力差随迎角增大呈线性增长;当迎角大于4°后,升力差先减小后基本保持不变,呈非线性关系。      

进口旋流周向位置对高压涡轮进口导叶气动特性的影响

为了揭示旋流周向位置对下游进口导叶(IGV)气动特性的影响机理,采用数值模拟方法计算并分析了进口旋流在多个不同周向位置处时旋流与通道内二次流的相互作用原理,进而重点分析了3个典型位置算例中的二次流动、涡系结构和熵增情况。研究表明:进口旋流与通道内固有二次流动之间的相互作用及黏性耗散是旋流所造成损失的主要原因;通道损失最大的工况不在旋流正对叶片头部时出现,而是在旋流靠近叶片头部近压力面一侧时产生;此外,旋流与通道涡相互作用,在进口旋流达到一定强度时会在叶片尾缘附近形成诱导涡。      

刮削作用对涡轮转子机匣通道涡形成的影响

采用数值方法求解耦合剪切应力输运(SST)湍流模型的雷诺平均Navier-Stokes方程组,研究了不同间隙尺寸下GE-E3高压涡轮第一级转子内刮削作用对机匣通道涡形成和发展的影响。通过与轮毂通道涡结构的对比,发现机匣通道涡层次结构与经典二次流理论存在明显的差异,并对该差异形成的原因进行了深入探索。结果表明:叶顶对机匣边界层的刮削作用在机匣通道涡的形成过程中占主导作用,刮削作用使得流向叶片吸力面的来流机匣边界层在交汇点区域从内层向外层卷起,形成层次结构相反的机匣通道涡;叶顶浸入比值是影响转子机匣通道涡形成的重要参数,随着比值的增大,机匣通道涡损失先增大后减小;只有在间隙尺寸较大情况下,叶尖间隙的"抽吸作用"才能抑制机匣通道涡的发展。     

热冲击后气膜冷却叶片结构强度流固热耦合仿真

研究了冷气流量对气孔周围热应力的影响,为气膜冷却叶片可靠性设计提供参考。改变气孔的孔径,并建立有限元模型,结合有限元/边界元理论,通过流固热三场耦合技术获得热冲击后的叶片最大温度、温度不均衡程度及最大热应力。研究表明:增加冷气量有利于改善叶片冷却效率降低叶片温度,但也会使叶片温度不均衡程度增加,加剧尾缘气孔内的热应力载荷;增加前缘气孔直径可提升66%的平均冷却效率,有利于减缓气孔内的热应力,增加尾缘气孔的直径对冷却效率及热应力的影响均较小。此外,数值计算结果与试验及解析解较为吻合,对于气膜冷却叶片结构设计具有参考价值。      

涡轮转子叶尖泄漏涡涡核稳定性及控制

以GE-E3第一级涡轮转子为研究对象,对转子叶尖泄漏涡涡核破碎特征和稳定性机理进行了分析和归纳。研究表明:叶尖泄漏涡涡核破碎的动力是离心不稳定性;发生失稳后,涡核区域迅速膨胀,形成低速的回流区;涡核的稳定性取决于螺旋因子和逆压梯度两个因素。然后,从涡核稳定性的角度开展了叶尖泄漏损失控制的研究,计算表明:叶尖叶型的负荷前移能够减少叶片尾缘附近间隙内的横向压力梯度;吸力面喉部位置以后型线拉直能够减少喉道后的扩压系数;通过这两个措施生成的新叶片能够有效地减弱叶尖泄漏涡,抑制涡核的不稳定性,减少叶尖泄漏流损失。      

基于在线滚动序列核极限学习机的涡轴发动机非线性模型预测控制

针对涡轴发动机控制系统设计,提出了1种基于在线滚动序列核极限学习机的非线性模型预测控制方法。综合考虑直升机旋翼扭矩、燃气涡轮转速、动力涡轮转速、涡轮级间温度和压气机喘振裕度等信息,设计具有较好实时性、精度和泛化能力的多输出在线滚动序列核极限学习机作为预测模型,引入预测模型输出与发动机输出的误差进行反馈校正,利用序列二次规化算法在线求解包含限制约束的预测控制问题。在某型直升机/涡轴发动机综合平台的仿真环境中进行了直升机大幅度机动飞行仿真验证,结果表明:该模型预测控制器相比于传统串级控制具有更好的控制品质,可显著降低动力涡轮转速超调/下垂量。     

感性耦合夹层等离子体隐身天线罩电磁散射分析

设计了一种石英夹层感性耦合等离子体（ICP）隐身天线罩模型,采用有限元与Z变换时域有限差分（ZT-FDTD）联合仿真的方法,建立了ICP放电的流体模型,得到不同气压及功率下与电磁散射相关的电子密度空间分布,在此基础上建立Z变换时域有限差分法模型,对石英夹层等离子体隐身天线罩的宽频段后向散射进行计算,同时利用微波干涉法及XFDTD软件对算法及程序进行验证。结果表明：感性耦合等离子体可产生较高密度等离子体,能有效实现雷达散射截面（RCS）的减缩,在气压为2 Pa时,碰撞衰减较弱,等离子体密度分布较均匀,衰减带宽集中在等离子体振荡频率附近,功率增加会使衰减峰值向高频方向移动,气压为20 Pa时,碰撞衰减增强,且等离子体密度分布有较大梯度,衰减带宽有效增加,同时RCS曲线的波动特性加强。     

航空发动机两级反向旋流燃烧室燃烧流场大涡模拟研究

为深入了解真实航空发动机内燃烧流场,采用动态亚网格模型结合单步快速化学反应(FC)、火焰面(FLM)及反应进度变量(FPV)等三种燃烧模型对径向两级反向旋流燃烧室单头部构型进行了大涡模拟。为避免模型简化误差,对燃烧室包括全部气膜冷却孔在内的精细结构进行了完全仿真。在已达到统计定常状态的冷态流场基础上首先模拟了燃料喷注和掺混过程,约2.6ms后燃料到达真实的点火位置,随后采用FPV模型在半径3mm的球形区域数值模拟了点火,展示了在主燃孔横向射流作用下初始火焰沿化学恰当比混合分数等值线传播并充满整个火焰筒的发展过程,结果显示火焰到达燃烧室出口的耗时约为6～7ms。不同模型算法预测的平均温度场与CARS测量结果作了对比,LES-FPV,RANS-FPV,LES-FLM以及参考文献中RANS-FLM计算平均误差分别为3.47%,4.17%,7.76%和11.22%,表明LES改进了模拟精度,且FPV模型显著优于FLM模型。RANS-FPV预测的出口存在严重热斑,导致其给出的出口温度分布因子(OTDF)及最大径向温度分布因子(RTDF)值分别达到0.593和0.313;LES-FPV结果均匀性最好,其预测值分别为0.284和0.193。     

透平机械动密封动力特性数值方法研究

密封动力特性系数是评价透平机械转子稳定性的重要参数。对现有密封动力特性数值方法进行了综述,为了比较分析不同的密封动力特性数值方法,分别建立了基于控制体方法的双控体求解模型和基于CFD方法的稳态旋转坐标系与瞬态转子平动、转子单/多频椭圆涡动求解模型,综合比较分析了控制体法、CFD稳态旋转坐标系法和CFD瞬态平动法、单/多频法之间的差异以及适用范围,研究了转子涡动频率对密封气流力和动力特性系数的影响。研究结果表明:控制体法求解速度较快,但求解精度较低,稳态旋转坐标系法只适用于转子做小轨迹同心涡动的求解模型,瞬态平动法求解速度较慢;瞬态单/多频法考虑了转子的涡动频率,更符合密封的实际工作情况;应用瞬态单/多频法得到的密封气流力变化频率与转子涡动频率相同,但气流力的相位滞后于转子涡动位移的相位;密封的直接刚度系数随着转子涡动频率的增加而增大,交叉刚度系数和阻尼系数的绝对值随着转子涡动频率的增加而减小。     

离心压气机近失速工况叶尖流场特征及泄漏涡面涡模型

为研究航空微型涡轮发动机离心压气机的失速机理,采用数值模拟的方法,对压气机在设计点和近失速点的流场特征进行了研究,并对叶尖泄漏涡进行了建模。结果表明:在近失速工况下,更多的来自轮毂处的低能流和二次流会汇入叶轮通道近壁面的低速区,使得叶尖的堵塞加重,泄漏涡轨迹的偏转及其卷吸作用可能是造成这种现象的原因。通过在压气机机匣外侧引入虚拟镜像涡的方法,应用机翼涡对的不稳定性理论和面涡模型对泄漏涡建立了模型。应用该模型对本文研究的离心压气机以及三个国内外具有典型代表性的压气机进行了预测,表明模型得到的频率同计算和实验结果具有较好的吻合性,对德国宇航院压气机的预测频率与其实际频率的误差仅为2.8%。总体而言,当间隙高度较大时,模型的预测更为准确。