高压涡轮变叶顶蜂窝角度二次流动特性研究

为减少叶顶泄漏流带来的气动损失，本文对高压涡轮叶顶复合蜂窝的排布角度进行寻优，并分析其气动性能。研究过程保持叶顶蜂窝几何形状不变，改变复合蜂窝在叶顶的排布角度，降低叶顶二次流的总压损失系数和叶顶相对泄漏比。以叶栅出口下游30%轴向弦长位置的面平均总压损失系数为目标参数，利用Isight软件嵌套图形-网格自动生成流程，对0～57°旋转角度内的蜂窝排布方式进行遍历寻优，得到低总压损失的蜂窝排布方式。研究表明，最优排布结果与平叶顶相比，叶栅总压损失降低5.21%，与基准角度蜂窝相比降低1.34%。最优排布方案对叶顶泄漏流的阻碍效果更明显，增大了蜂窝对气流的耗散能力，降低了跨叶顶的横向驱动力，减少了泄漏涡的损失。     

扩压叶栅叶尖非定常流动的涡动力学机理

为了揭示压气机叶尖区旋涡结构与流动非定常性之间的关联，采用URANS对一亚声速平面扩压叶栅在不同攻角下的流场进行了求解，并借助Q判据提取了叶尖瞬态涡系结构。结果表明：泄漏涡的破碎现象能够通过诱导新的涡结构间接作用于相邻通道的叶尖流动，是导致叶尖流场失稳的关键因素。在-0.3°和+0.7°攻角下，叶尖泄漏涡发生了螺旋破碎，并伴随有非定常诱导涡的出现，诱导涡对相邻叶片载荷的影响使得叶尖泄漏涡发生周期性摆动；在+1.7°攻角下，泄漏涡破碎会导致反流涡的形成，反流涡的输运会给叶片载荷和来流攻角带来非定常扰动，反过来又会作用于泄漏涡的破碎和反流涡的生成，最终表现为一种自维持的非定常流动现象。     

复杂内筋铝筒段旋压变形规律和再结晶组织演变数值仿真

流动旋压是一种先进的内筋薄壁筒段整体近净成形方法。本文运用数值仿真方法研究多级筋铝合金筒段热旋压过程中材料流变规律和组织演变特性。将内变量型2219铝合金本构模型嵌入ABAQUS仿真平台建立了准确反映宏观流变和微观晶粒演变的热旋压仿真模型，完成了具有多级特征的内筋筒段旋压成形规律分析。研究表明在减薄率为50%、温度为300℃的旋压参数下，随内筋宽度增加材料由“挤压”式转变为“塌陷”式填充内筋，筋槽内材料变形量下降，筋槽内材料晶粒大小不均匀性增加；窄筋在250℃下的晶粒尺寸明显小于其在350℃下的，而宽筋在250～350℃下的晶粒尺寸较为接近，成形温度对窄筋晶粒大小有明显影响，而对较宽内筋的影响有限。     

新型航空发动机空气冷却器流动传热性能试验

空气冷却器是航空发动机中空气热量交换的重要场所,针对传统扰动结构强化换热不足问题,重点研究了空气冷却器 中扰动结构的结构形貌特征与流动换热的关系。以三周期极小曲面结构为基础,设计制造了D型极小曲面扰动结构、P型极小曲 面扰动结构和基于Sigmoid函数杂化方法的D-P型（P-D型）结构。并利用纳米CT重构出样品的3维数字特征,试验研究了不同结 构来流速度与压降、换热性能和综合换热性能的关系。结果表明：D型极小曲面结构具有最优的压降、换热性能和综合换热性能： D-P型杂化极小曲面结构的阻力系数f最大,比D型结构的高56.81%;D型的平均努塞尔数Nu比P型的高18.49%,P-D和D-P杂 化结构的换热性能比P型结构的有效提高;P-D型D-P型杂化结构的Nu分别比P型结构的高2%和8.27%。在4种结构中,D型结 构的综合换热性能最优,分别比P型、P-D型、D-P型结构的高40.35%、57.2%、71.02%。     

不可压缩流动的高精度非标准格子玻尔兹曼方法

首先回顾了高精度非标准格子玻尔兹曼方法的发展历程,基于高精度通量重构格式,发展了一种通量重构格子玻尔兹曼方法（FRLBM）。采用两种求解方法：一种是将碰撞项隐式处理,直接求解离散速度玻尔兹曼方程（直接法）;另一种是先执行碰撞步,再求解纯对流方程（分步法）。通过收敛性研究,比较了这两种方法的精度和稳定性。研究结果表明,在小时间步长下两种方法误差近似,都能取得高阶精度;然而当时间步长增大,直接法误差几乎不变,分步法误差出现明显上升。由此表明,当取得近似误差时,直接法可以采用较大时间步长,计算效率更高,且直接法的稳定性略占优。接着通过模拟顶盖驱动方腔流验证了FRLBM捕捉流场细节的能力,并且比较了基于半隐格式的显式方法和一阶、二阶及三阶隐式-显式Runge-Kutta格式的时间离散,在不同雷诺数下的最大允许Courant-Friedrichs-Lewy数,数值结果表明二阶隐式-显式Runge-Kutta格式效果最优。最后数值模拟了圆柱绕流,验证了FRLBM计算复杂外形绕流的可靠性。     

离心叶轮背腔复杂流态及调控方法研究进展

因叶轮/扩压器转静间断,离心压气机级中必然存在引气腔并对级性能产生影响,中小型航空发动机/燃气轮机用半开式离心叶轮中背腔引气影响尤为突出。从简化及真实离心叶轮背腔流态研究、复杂流态调控方法、对级气动性能影响、叶轮/扩压器/背腔多维度耦合模拟方法等方面进行了综述,展示了背腔引气对风阻损失、轴向力平衡、油/气密封及冷却气输送等多方面重要影响,并对其可能的先进设计方法进行了分析与展望。     

延伸冲击孔冲击冷却流动与换热特性的数值研究

采用数值模拟方法研究了延伸冲击孔冲击冷却系统的冷却特性,分析了3个冲击雷诺数和5个冲击孔延伸长度对冲击腔内流动与换热特性的影响,给出了靶面努塞尔数分布、靶面压力分布、中心截面流速与综合换热性能的变化。结果表明：延伸冲击孔可以有效地防止横流对冲击射流的偏转作用,同时使射流出口更加贴近冲击靶面壁面,冲击速度更高,可以明显提高靶面的换热系数,并使整个靶面上的换热系数分布也更加均匀。冲击冷却的冷却性能随着冲击孔延伸长度的增加而增加,相较于传统冲击冷却（baseline）,在L/d=2.5时靶面平均努塞尔数提升达15%以上,但压力损失也相对较高;对比不同延伸长度冲击孔的综合换热性能,发现存在最佳的L/d取值范围使冲击冷却系统获得最佳的综合冷却性能。在本研究范围内,最佳的L/d= 2.5。     

空腔流激振荡的简化模型分析及振荡频率预估

本文由矩形空腔后缘声振动反馈激励腔口自由剪切层不稳定波的观点出发,把空腔流动振荡问题构造成一个关于空腔内外扰动波的非齐次边值问题,应用Ｆｏｕｒｉｅｒ－Ｌａｐｌａｃｅ变换技术求解,可以预估振荡频率,对Ｌ／Ａ＝Ａ亚声速空腔流动的预估结果与实验符合很好,揭示了此类空腔流动振荡的机理。     

涡轮叶栅端壁区流动的实验研究

本文在大尺寸低速开式叶栅传热风洞中对一种高压涡轮导向叶栅中的流场进行了实验研究。采用五孔针对5个雷诺数下的叶栅端壁区三维流场进行了测量,并用线簇和小球浮动法对5个工况的流动进行了流场显示。实验结果表明:马蹄涡压力面分支在向吸力面运动的过程中,破坏了来流附面层的结构,在马蹄涡压力面分支之后,叶栅通道中产生了一个新的从压力面到吸力面的新附面层,新附面层的厚度小于来流附面层厚度;三维流动区约占叶栅通道的40%;雷诺数的增大将增强端壁区的三维流动。从流场显示图片可以观测叶片吸力面靠近端壁的角涡形成与发展,以及吸力面上的三角形区域;流场显示的通道涡大小与流场测量结果吻合。本文的实验结果有助于分析端壁表面和叶片表面换热特性的形成机理。      

分析计算航天飞机气动系数的边界元局部方法

空间运载工具设计阶段为分析比较不同外形高超音速各流动领域的性能,广泛应用局部方法。在其原始形式下,形状函数计算繁复,并限于简单几何外形组成的轴对称体。用边界元局部方法进行形状函数计算,可免去原局部方法面积分的繁复和藉助表格的局限。对STS-1轨道飞行器外形进行计算得到丁形状函数,并根据实验数据确定领域系数。由此计算出飞行器的法向力、轴向力和俯仰力矩系数,计算结果与实验数据相符。