空腔流动的拉格朗日涡动力学分析

空腔流动中包含着丰富的涡结构相关物理现象,开展空腔流动中的涡动力学分析能够为相应的流动控制和降噪提供理论依据。采用直接数值模拟获得开式空腔流动的高精度流场数据,用拉格朗日拟序结构识别流场中的涡结构,并结合Q 判据和涡量通量分析,对空腔中涡的生成、脱落、对流以及撞击破裂过程展开研究,分析其动力学特性。结果表明:在一个流动周期内,拉格朗日拟序结构的卷起与脱离伴随着前缘涡的生成与脱落,向下游发展;拉格朗日拟序结构在后缘点的破裂伴随着Q 与涡的破裂;空腔内部的主涡则在整个流动周期内都维持相对稳定状态。     

轴流压气机插板式进气畸变数值仿真

以航空发动机稳定性评价体系中常用的插板实验为背景,分别进行低速、高亚声速、跨声速轴流压气机与插板畸变发生器的耦合数值仿真,研究插板畸变条件下压气机的流场特性以及不同类型压气机在插板畸变影响下的失速起始机制。研究发现:转子进口截面的周向流动是影响低速压气机稳定边界的主要因素;插板角涡对转子叶顶泄漏涡的扰动是影响高亚声速压气机稳定边界的重要原因;畸变气流影响下的叶片通道内激波强度和位置的变化是影响跨声速压气机稳定边界的关键因素。      

进口流量对无管式减涡器流阻特性影响研究

为分析进口流量对压气机引气系统无管式减涡器压力损失的影响及无管式减涡器减阻效果,采用数值模拟与试验研究相结合的方法对无管式减涡器开展研究,并与直喷嘴模型进行了对比。模型试验验证了数值模拟方法的可靠性,通过数值模拟,建立了无管式减涡器流阻特性"S"形曲线三分区模型,分析了无管式减涡器各截面间压力损失及其占比随无量纲质量流量变化规律。在计算流量范围内,与直喷嘴模型相比,无管式减涡器平均可降低压气机引气系统压力损失约45.9%。在第二拐点处,共转盘腔内压力损失降低了96.44%,此时无管式减涡器减阻效果最佳,较直喷嘴模型压力损失降低了73.44%。     

局部等厚度的共翼型舵对潜艇尾流场优化效果研究

潜艇桨盘面伴流的不均匀性是影响螺旋桨在工作时产生振动和噪声的关键因素,潜艇指挥台围壳和尾舵产生的马蹄涡是导致桨盘面伴流不均匀性的重要原因。为了抑制尾舵处形成的马蹄涡,设计了一种局部等厚度的共翼型舵,通过数值模拟研究了其对尾流场不均匀性的改善效果。结果表明,局部等厚舵可以使尾流场相比非共翼型舵不均匀度下降40%以上,并且在相同舵角下舵力显著增大;安装局部等厚舵的同时在围壳处安装消涡片可以使不均匀度下降60%以上;减小局部等厚舵的最大厚度和增大首部曲率都可以进一步改善尾流场,且舵力不受损失。局部等厚舵形式简单,对尾流场和舵力改善效果显著。     

腔室型旋流发生器的设计与仿真研究

为了模拟旋流畸变对压气机性能和稳定性的影响,设计了一套腔室型旋流发生器,通过灵活改变腔室几何构形来形成不同类型和强度的旋流,利用先进的CFD数值模拟方法开展了旋流器流场特征的研究并对旋流畸变指标进行了详细分析。结果表明,腔室型旋流发生器能够产生不同强度的整体涡和对涡旋流,气动交界面处整体涡最大旋流角可以达到65.8°,对涡最大旋流角可以达到58.2°;在压气机进口截面,近壁面处旋流强度最大,整体涡可达43.5,对涡可达9.26;整体涡主要影响叶尖流场,对涡主要影响叶尖和叶根的流场。随着流量的增加,旋流器总压恢复系数降低,整体涡强度增加,对涡强度降低。     

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。     

航空发动机空气涡轮起动机包容结构研究

为了解某航空发动机空气涡轮起动机包容结构对其包容性的影响,采用 LS-DYNA 软件对空气涡轮起动机的包容性进行数值仿真,并在高速旋转试验台上开展了多次包容性试验。试验中采用涡轮盘预制裂纹的方式,使涡轮均匀破裂成 3 块,针对不同厚度的包容结构和不同的包容环支承结构分别进行包容试验。试验结果表明:在厚壁包容结构试验中轮盘碎块飞出,包容效果不理想;在薄壁包容结构试验中轮盘碎块击穿内层壳体并撞击包容环,轮盘碎块无飞出,包容效果较为理想;在薄壁包容结构试验中采用螺钉固定支承结构,第 1 次试验成功包容,第 2 次试验中涡轮盘被包容但组件倒翻,在第 3 次试验中采用凸台加固支承结构成功包容,表明选用合适的包容结构及其支承结构对确保其具备有效的包容能力十分重要。研究结果对空气涡轮起动机的包容结构设计有很好的指导意义。     

新概念机翼尾流特性实验

大型飞机常采用开启襟翼以增大机翼升力系数,实现较大迎角的起飞和降落,而机翼在大迎角状态下,翼尖会产生能量集中且自由消散时间长的飞机尾涡,严重影响后续起降飞机的安全。基于Rayleigh-Ludwieg不稳定性,提出一种新概念飞机襟翼布局,通过水槽实验发现:新概念布局的襟翼对翼尖涡的消散具有明显的促进作用,不同参数组合下襟翼涡对翼尖涡的运动特性和能量变化的影响均有不同。实验结果也为飞机尾流控制的研究提供了参考,在满足飞行力学设计的基础上,合理运用增升装置构建四涡系统可以有效促进飞机尾流的消散,提高机场飞机起降效率。