蒸汽吸入对压气机气动稳定性影响试验和数值研究

研究蒸汽吸入和旋流畸变对压气机气动稳定性的影响,以某两级低速轴流压气机为试验研究对象,建立压气机蒸汽吸入和旋流畸变试验台。试验结果表明:压气机吸入蒸汽引起入口总压和总温畸变,转速增加,总压畸变强度增大,总温畸变强度减小。蒸汽吸入导致总压比和稳定裕度降低,当压气机转速为600 r/min和800 r/min时,稳定裕度分别降低15%和63%。蒸汽吸入和反向整体涡旋流畸变两者共同作用下稳定裕度下降更为显著,当转速为600 r/min和800 r/min时,稳定裕度分别降低630%和1264%。对试验压气机进行蒸汽吸入数值模拟研究,结果表明:压气机转速为600 r/min和800 r/min时,稳定裕度分别降低321%和812%。     

Numerical simulation of flow in swirl injector for power-law fluid

In order to investigate the flow characteristics of swirl injectors for gelled propellants, which actually behaved as non-Newtonian power-law fluid, a swirl axisymmetric model was established to solve Navier-Stokes equations and VOF (volume of fluid) equation, and the power-law constitutive equation was used to describe the rheology characteristics of the gelled propellants. The film thickness and velocity distribution in the swirl injector under different flow conditions were studied numerically. The simulation results show that the increased geometry characteristic parameter of the swirl injector contributes to the decrease of liquid film thickness. The liquid film thickness is almost independent of the pressure drop. The rheologic parameters have great influences on the inner flow of swirl injector: by increasing the fluid consistency index K and power index n, both the axial and the swirl velocities decrease dramatically; higher fluid consistency index K and power index n make the liquid film thickness increase. When the viscosity is large enough, the air core in the injector would vanish.      

旋流数对分层旋流流场影响的大涡模拟研究

为了深入理解分层旋流流场特征和燃烧稳定性,采用OpenFOAM对分层旋流燃烧器的冷态和燃烧流场进行了大涡模拟。研究了旋流数对分层旋流流场结构和非稳态特性的影响。采用Q准则显示了流场中的瞬时涡结构;利用功率谱分析了流场中的进动特征。结果表明：在冷态工况下,旋流对回流区的位置和大小影响较小。随着旋流数增大,出口气流受到旋流诱导的离心作用,流动发散,流场扩张角变大,流场下游出现二次回流区。平均流场的三维流线与螺旋涡在空间中均表现成正交关系,表明螺旋涡是由剪切层Kelvin-Helmholtz不稳定性产生。在燃烧工况下,随着旋流数增大,回流区的面积增大,平均温度分布不断沿径向扩张,火焰锋面脉动增强,涡旋发生破碎的位置明显向上游移动。     

A transient bulk flow model with circular whirl motion for rotordynamic coefficients of annular seals

Bulk flow model with perturbation simplification has been used to calculate rotordynamic coefficients in annular seals which have significant influences on the dynamic behavior of rotors in turbomachinery. In this work, a transient bulk flow model with arbitrary rotor motion is developed, and the boundary conditions and friction factor in the model are calibrated with steady Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis. The numerical solution scheme is developed based on the finite element method to obtain the transient reaction force in the seal clearance. With a periodic circular rotor orbit, the transient forces at multiple whirling frequencies are used to evaluate the rotordynamic coefficients. The leakage flowrate of CFD analysis has good agreement with experimental results and the calibrated parameters in bulk flow model are dependent on operating conditions. Although CFD calibration improves the accuracy of the perturbed bulk flow model, the direct damping is overestimated and the cross-coupled damping is underestimated. Compared with the perturbed model, the predictions of the transient bulk flow model are more agreeable with the experiment.     

多级轴流压气机彻体力模型——三维应用

利用基于彻体力模型建立的时间推进三维计算模型,获得了某单级跨声速压气机在周向总压进气畸变下的总体特性及流场分布,并与相关试验数据进行对比,以验证该模型的准确性及可靠性。随后利用该模型详细分析了进口分别存在周向总压进气畸变及对涡旋流畸变下某四级低速轴流压气机内部流场特征。单级跨声速压气机总体特性的计算结果与相关试验数据的相对误差不超过2%,且内部流场参数的分布特征也与试验结果相吻合。四级低速轴流压气机的计算结果反映周向总压进气畸变导致压气机气动性能及稳定性恶化,对涡旋流进气畸变则影响有限。同时揭示了不同形式的进气畸变在多级轴流压气机内部的传递过程,充分说明该模型在进气畸变这类工程问题中的广泛应用前景。      

第2级径向旋流器旋流数对燃烧室点火和贫油熄火性能的影响

双级旋流器是航空发动机燃烧室头部产生回流区所采用的主要形式,研究主要考察第2级径向旋流器的旋流数对点火与燃烧稳定性能的影响,数值模拟结果能够较好地匹配第2级径向旋流器设计参数.试验研究表明:第2级径向旋流器旋流数的改变对燃烧室点火性能无影响;但减小该旋流数会对贫油熄火性能产生明显地改善,旋流卷吸效果会影响回流区火焰稳定.减小第2级径向旋流器旋流数,使下游卷吸量增加,回流区流动与火焰匹配更好,更有利于燃烧稳定性的提高.      

压力对离心式喷注器雾化特性影响的试验研究

针对不同入口压力对喷注器雾化特性的影响的问题,对某一双组元姿控推力器的离心式喷注器进行大气环境下不同入口压力的雾化试验.高速摄影试验对喷注器雾化形成过程进行了拍照与分析,PDA试验对喷注器稳态工作时的雾化特性进行了测量与分析,并对试验结果进行了拟合计算.试验结果表明该喷注器有良好的雾化性能,入口压力的增加使得喷雾场可以更加快速的形成和稳定,雾化锥角变大,雾化质量更好,但是变化趋势随压力增大而减缓;计算得到的关系式可预测该喷注器不同工况下液滴的索太尔平均直径,对喷注器优化设计有一定的指导意义.     

双级轴向旋流杯气量比对雾化性能影响的试验

为探索小状态下改善雾化性能的途径,从调节旋流杯气量分配的角度出发,对不同一、二级气量比的双级轴向旋流杯开展了试验研究,获得了气量比对液滴平均直径、液滴尺寸分布指数以及喷雾锥角的影响规律。试验结果表明:气量比的增大不仅降低液滴平均直径,而且使得旋流杯在较宽的供油压差范围内都具有良好的雾化品质,可实现小状态下雾化性能的改善。旋流杯喷雾锥角随气量比的增大而增大,随供油压差的增大而增大并逐渐趋于稳定。旋流杯总气量恒定时,气量比接近1时的综合雾化性能最佳。      

空气/煤油火炬点火器设计及试验

为解决超燃冲压发动机点火难题,设计了一种以空气和煤油作为氧化剂和燃料的火炬点火器。点火器能量设计为300kW,空气和煤油的设计流量分别为98.9g/s和6.7g/s。采用软件CHEMKIN4.0对不同当量比条件下点火器出口气流参数进行了计算,将点火器的工作状态优选为富氧模式。煤油从点火器端面经旋流喷嘴注入,空气分为一次喷注和二次喷注两个支路,采用普通汽车火花塞点燃空气煤油混合物。建立了试验系统,压力测量和摄影图像表明该点火器能够在当量比在0.3~1.3范围内可靠工作。点火器的起动时间约为0.9s,火焰长度约为30cm,存在高频率小幅值脉动燃烧现象。试验表明该点火器能够可靠点燃超燃冲压发动机。