多级轴流压气机进气畸变模型研究

为研究进气畸变对多级轴流压气机性能以及稳定性的影响,基于彻体力模型理论建立了一个模拟多级轴流压气机进气畸变的三维分析模型CSAC,并采用实验与CFD相结合的方法进行了验证。利用CSAC模型模拟了周向总压畸变对四级低速轴流压气机性能的影响。结果表明:均匀进气下CSAC与CFD计算特性最大误差不超过1.5%;进口总压畸变传递到第三级时畸变度衰减为0;在低压区的转子出口存在一个高总温畸变区,其强度在向下游传递中逐渐增强,到达第四级时总温最大升高0.4%;高总温影响区域在向下游发展中沿叶片转动方向逐渐扩张,造成压气机性能损失加大,最大总压比下降0.7%。所有结果均显示出CSAC模型是当前分析畸变对压气机性能影响的有力工具。     

高温环境辅助进气合成射流的激励器性能

对高温环境下活塞式合成射流激励器的流场进行了数值模拟和试验研究,对比了激励器工作频率和射流孔直径,对常规、辅助进气激励器性能的影响。结果表明:在高温环境下,相对于常规进气,辅助进气可以显著地提高激励器性能,激励器吸气量、腔体峰值压比和射流峰值动量提高的同时,激励器出口截面射流峰值速度略有下降。辅助进气装置的效能最大区域为高工作频率或者小射流孔直径。相对于常规激励器,辅助进气激励器的吸气量、腔体峰值压比和射流峰值动量的增加幅度最大,分别增加了常规激励器的23073%、10397%和10737%(工作频率为250 Hz,射流孔直径为2 mm)。     

分流器对进气粒子分离器性能的影响

为了揭示分流器位置及形状对进气粒子分离器(IPS)性能的影响,采用Realizable k-ε湍流模型对IPS进行了数值模拟,得到了分流器沿轴向移动及径向移动对IPS流场、分离效率、总压损失的影响,在此基础之上,研究了分流器唇口处与内壁面最高点轴向距离及径向距离的比值及分流器形状对IPS的影响,结果表明:比值较大时,随着轴向距离的增加,总压损失呈下降趋势,且下降梯度较大.当比值较小时,总压损失呈先减小后增加的趋势;与未改变分流器形状相比,分流器形状改变后总压损失有所降低,分离效率提高,并且分流器唇口处最高马赫数有所降低.      

旋转盘腔进气位置的敏感性分析

为保证涡轮盘满足适航规章的安全性要求,采用单向FSI(fluid structure interaction)数值方法,研究旋转盘腔无量纲进气位置的变化对冷却效果的影响,并依据旋转盘腔冷却问题的工程评价体系对冷却效果进行评价.结果表明:无量纲进气位置的改变使旋转腔的流动结构发生变化,从而影响盘面换热效果和转盘的温度分布,导致与温度梯度紧密相关的热应力水平也发生变化.随着无量纲进气位置的提升,旋转盘腔的流阻损失增大,转盘迎风面的平均换热效果减弱,转盘的应力水平和在低半径处的最大等效应力值均下降.无量纲进气位置的变化能够从部件承受能力和实际使用载荷两方面对涡轮盘的失效概率产生影响.因此,在涡轮盘腔的设计阶段,需要考虑无量纲进气位置对涡轮盘安全性的影响.      

气口布置对进气涡流及扫气品质的影响

采用数值方法研究了气口布置对进气涡流及换气品质的影响,建立了缸内过程的三维瞬态数值模型,通过改变气口平射角引入进气涡流,根据归一化缸内二氧化碳质量分数评价扫气品质,对比了不同气口布置角度下的涡流比及扫气品质.结果表明:①改变气口平射角能够产生包括涡流在内的旋转流动,涡流持续到上止点附近,并近似为刚体涡;②进气涡流造成扫气过程中期短路损失,并使CO₂聚集于旋转区域中心;③扫气口仰角变大或排气口沿旋转流动方向远离扫气口,能够抑制短路;扫气口平射角减小时,上止点附近的涡流比降低,短路损失增大.      

进气畸变对燃烧室性能的影响

基于详细化学反应动力学和火焰面模型,以某型发动机燃烧室为计算模型,在压气机气流畸变来流条件下对燃烧室内流场进行了数值模拟,将计算结果与其实验结果进行了对比,并对比研究了均匀与非均匀入口气流条件下燃烧室燃烧性能的差异。结果表明:非均匀入口效应会对燃烧室内部流场产生很大的影响,流场的对称性受到破坏,燃料的掺混燃烧效果也会受到影响,进而导致燃烧室燃烧效率降低,影响整个燃烧室的工作性能。增大主燃孔面积,提高头部进气量可以很好地改善此型燃烧室的燃烧性能。      

基于扩张状态观测器的高空台进气环境模拟控制技术研究

针对航空发动机高空台推力瞬变等过渡态试验对进气环境模拟控制系统所提出的强抗扰性、强鲁棒性的迫切需求,设计了一种基于扩张状态观测器（ESO）的高空台进气环境模拟主动抗扰控制技术方法。首先分析了现有高空台过渡态环境模拟的技术特点和高品质控制指标难于实现的原因;其次设计线性自抗扰控制器（LADRC）和一体化并行控制器（IPC）;最后通过仿真对高空台进气环境模拟主动抗扰控制方法进行了验证。结果表明,应用基于扩张状态观测器的主动抗扰控制技术能够大幅提高发动机过渡态试验中进气环境模拟的动态响应速度、控制精度和抗扰动能力。     

湿压缩对压气机转子失稳边界工况性能的影响

针对某型跨声速压气机转子的失速边界工况,采用数值模拟方法系统研究了不同加湿条件对其性能的影响。获得了水滴粒径、速度、温度和喷水量与转子进气流量、压比、效率、比压缩功等性能参数之间的关系曲线。结果表明:在失速边界上对跨声速压气机进气加湿,可以增加空气流量,提高总压比和效率,降低比压缩功。通过对流场的分析,发现进气加湿后,向低能区注入了高动量的水滴颗粒,削弱叶顶阻塞团,将主流与泄漏流交界面和激波位置向下游推进,减小激波强度,降低叶顶载荷,增大主流区载荷,改善了叶顶流场。提出了以水滴的面积流量定量评价不同进气加湿条件对叶顶流场的作用效果。      

进气畸变下压气机过失速三维非定常模型探索

针对原压气机稳定性三维分析模型CSAC(compressor stability analysis code)加以改进,添加了轴对称左支特性。采用改进的CSAC+模型分析了NASA Rotor37在周向总压进气畸变下的稳态性能和失速起始特性,并与软件NUMECA模拟结果进行了对比,两者模拟的特性趋势一致,畸变进气下CSAC+近失速点压比与NUMECA的误差为1.05%。针对近失速点流场分析发现:随着流量的减小,在畸变区边缘的转子叶尖首先出现低速甚至逆流区,可认为该区域为失速起始位置。利用CSAC+模拟了该压气机过失速状态下的主要流动特征,分析得出进气畸变下该失速先兆为模态波,完全发展后为部分叶高失速,失速团占据约40%叶高,其传播频率约为转子转动频率的60%,并在传播过程中显示出周期性的剥离和融合过程。      

无人机用三角转子发动机进气流量测量模型

针对发动机进气系统的非线性特性,研究了三角转子发动机的进气系统特点,建立了三角转子发动机进气流量测量模型,给出了节气门和进气口处的空气流量动态方程,进而基于该测量模型,提出了歧管中脉动气流的稳压处理措施,测定了208 cm3排量三角转子发动机的进气系统特性参数,建立了基本的进气量图,为电控燃油喷射系统的开发提供了基础数据.