跨声速条件下轴对称收扩喷管内外流场的数值研究

采用有限体积法,二阶精度插值的Roe格式对三维流场N-S方程进行空间离散;采用LUSGS隐式时间推进法和多重网格技术加快计算收敛速度;采用不同湍流模型、壁面函数对轴对称喷管内外流场进行三维数值模拟.计算结果与实验数据对比表明,采用涡粘修正的RNG模型,内流场使用增强壁面函数,外流场使用标准壁面函数可以得到准确的计算结果.研究表明:在亚声速条件下,喷管外壁面压力分布随落压比的变化不大;超声速条件下,喷管外壁面激波随着落压比的增大前移.      

用端壁造型减小涡轮叶栅二次流损失的数值研究

分别对常规叶栅、下端壁上凸和下端壁下凹叶栅的流场进行了详尽的数值模拟,通过将下端壁上凸和下端壁下凹叶栅中的通道涡的发生、发展过程与常规叶栅进行对比分析,对非轴对称端壁造型减小涡轮叶栅二次流损失的机理进行了初步的探讨。结果表明:下端壁上凸叶栅出口处的总压损失比常规叶栅下降了4.2%,下端壁下凹叶栅出口处的总压损失比常规叶栅增加了11.9%;在下端壁上凸叶栅中,下通道涡的形成比常规叶栅和下端壁下凹叶栅滞后,失去了充分发展的"机会"。这是非轴对称端壁造型能够减小涡轮叶栅二次流损失的根本原因。     

非轴对称端壁对轴流风机二次流动的影响

为了研究非轴对称端壁对低速风机二次流动的影响机理,本文在某单级低速轴流风机的静子轮毂采用了非轴对称端壁(CEW)造型,并利用三维数值模拟软件进行了数值分析。结果表明:100%设计转速下工作点的等熵效率和总压升系数均有所提高,且在小流量点的提升幅度大于大流量点;其中风机峰值效率点的等熵效率提升了1.27%,总压升系数提高了2.97%;非轴对称端壁通过型面变化来改变局部的压力梯度,其中近吸力面凹槽使得流向逆压梯度(APG)减弱,而近叶栅通道出口的端壁凸包可以提高其前方压力,抑制横向流动的发展,这两种型面均有利于抑制角区分离。对该非轴对称端壁凹槽结构的径向深度幅值进行了对比分析,发现其存在一个约为静子根部弦长5.73%的最佳深度。      

一种新非轴对称端壁成型方法的数值研究

根据叶栅内部二次流形成和发展的机理, 应用正弦函数和多项式函数建立了一种叶栅非轴对称端壁成型方法.采用三维时均可压缩N-S方程组求解技术, 数值研究了采用所建立的非轴对称端壁成型方法设计的跨音速直列叶栅的流动特性, 分析讨论了建立的非轴对称端壁成型方法的效果及其对叶栅流动特性的影响.计算结果表明:所建立的非轴对称端壁可以有效地抑制和延迟叶栅通道中二次流涡系的发展, 沿整个叶栅流道内总压系数明显降低, 成型过程中幅值控制函数中最大幅值约占7.5%叶高为宜, 叶栅出口位置处总压损失降低了约5.6%.      

Tip-leakage flow loss reduction in a two-stage turbine using axisymmetric-casing contouring

In order to reduce the losses caused by tip-leakage flow, axisymmetric contouring is applied to the casing of a two-stage unshrouded high pressure turbine（HPT） of aero-engine in this paper. This investigation focuses on the effects of contoured axisymmetric-casing on the blade tipleakage flow. While the size of tip clearance remains the same as the original design, the rotor casing and the blade tip are obtained with the same contoured arc shape. Numerical calculation results show that a promotion of 0.14% to the overall efficiency is achieved. Detailed analysis indicates that it reduces the entropy generation rate caused by the complex vortex structure in the rotor tip region, especially in the tip-leakage vortex. The low velocity region in the leading edge（LE） part of the tip gap is enlarged and the pressure side/tip junction separation bubble extends much further away from the leading edge in the clearance. So the blocking effect of pressure side/tip junction separation bubble on clearance flow prevents more flow on the tip pressure side from leaking to the suction side, which results in weaker leakage vortex and less associated losses.     

乘波机外形设计

计算了由锥型流理论、吻切锥理论及吻切轴对称理论生成的不同乘波机外形.结果表明,圆锥绕流流场生成乘波机外形的方法虽然比较简便,且生成的外形具有较高的升阻比,但进气道进口流场具有锥型流的性质而不够均匀,给发动机的工作带来不利影响.应用吻切锥、吻切轴对称理论与特征线方法结合起来进行反设计,可以得到更一般的乘波机外形,并且能有效地改善进气道进口流场,提高容积效率.此外,这几种方法的计算速度都很快,对进一步的优化处理及机身-发动机一体化十分有利.      

矢量喷管静推力特性风洞实验研究

给出了轴对称收扩喷管和实施矢量偏转后的收扩喷管模型在FL 8风洞中的动力模拟静特性实验结果。对于轴对称喷管模型主要进行了喷管的推力特性测量,对于实施矢量偏转后的喷管模型除了给出了喷管推力特性外,还给出了喷管的偏转效率。实验结果表明:在FL 8风洞中进行单喷管的推力静特性测量实验结果可靠,与理论规律相一致。     

欠驱动刚性航天器可行轨迹生成算法研究

研究了仅有两个独立控制力矩的轴对称欠驱动刚性航天器的可行轨迹生成问题。首先,由系统模型推导出轴对称欠驱动航天器可行轨迹必须满足的状态约束条件;其次,基于轴对称欠驱动航天器的微分平滑特性,提出了一种可行轨迹生成算法。该算法针对欧拉角姿态描述的系统模型,不仅能够有效地简化系统平滑变换中的奇异点避让问题,而且即使是在大角度机动的情况下,仍然能够保证轴对称欠驱动航天器的姿态角速度和相应的控制输入力矩始终保持在合理的范围内。仿真结果表明,该算法计算量小、计算速度快,这使得欠驱动航天器后续的轨迹规划和轨迹跟踪等算法的在线实际应用成为可能。     

相变及炭黑杂质对氧化铝粒子流辐射特性的影响

基于Bruggeman有效介质理论与反向蒙特卡罗法计算了轴对称高温氧化铝粒子流在轴线正侧向辐射强度分布。采用Bruggeman有效介质理论计算多相态共存氧化铝粒子以及含少量炭黑杂质的氧化铝粒子的等效光学常数,以此为基础,通过反向蒙特卡罗法考察氧化铝粒子相变过程以及粒子中少量炭黑杂质对粒子流场轴线上辐射特性的影响。发现粒子相变过程中多相共存状态对高温粒子流场紫外波段辐射信号的影响不可忽略,氧化铝粒子中含有少量炭黑杂质就能够明显降低粒子流高温区间轴线上光谱辐射强度,当波长增加到近红外波段时,离喷口较近处轴线正侧向相对光谱辐射强度随着含炭黑量的增加而增大。     

近轴对称内收缩流场中的激波干扰

针对高超声速三维内转式进气道中的复杂曲面激波干扰问题,提炼出不同来流迎角下的内收缩直锥流场,采用激波风洞实验观测结合数值模拟的方法,高效揭示小幅偏离轴对称状态时,内收缩直锥流场中的激波汇聚效应及干扰机理。结果表明:在轴对称情况下,即使内收缩直锥的前缘压缩角很小,由于汇聚效应,激波逐渐增强,在轴线上必然发生马赫反射并形成马赫盘,继而终止了激波的进一步汇聚增强;而在来流有迎角情况下,流场小幅度偏离轴对称后,表现出复杂的三维特征;沿流向迎风侧激波的汇聚增强比背风侧更快,在对称面上迎风侧和背风侧激波干扰的位置偏离轴线,并且可以发生规则反射;在对称面发生规则反射的情况下,激波反射后局部能够达到的压力比发生马赫反射的情况下马赫盘后的压力更高;随着内收缩直锥前缘压缩角的增大,对称面上发生规则反射时的临界迎角也呈现增大趋势。