几何尺寸约束的超燃冲压发动机推力喷管设计

针对机体/推进系统一体化要求,提出了一种几何尺寸约束的超燃冲压发动机推力喷管设计方法,以实现在满足几何约束条件下优化喷管的气动性能。采用数值模拟对提出的设计方法展开了研究,在此过程中,首先校核了数值方法有效性并确定了网格分辨率。进一步就喷管设计过程中2个关键设计因子——比例因子和非对称因子开展了影响研究。最后为验证本文提出的设计方法的有效性和优越性,将其与典型截短设计方法进行对比分析。结果表明,相比截短方法,本文提出的设计方法不仅能够获得满足几何约束的喷管,同时可使喷管推力系数、升力和俯仰力矩分别提升33.36%、265.75%和37.21%。此外,本文提出的设计方法还可以通过调整设计因子来获得不同气动性能的喷管,进而满足应用过程中的实际需求。     

叶片前缘仿形涡流检测仿真与试验设计

仿形涡流检测技术因其耦合性好可有效抑制检测过程晃动而特别适合对大曲率叶片前缘快速检测。针对涡轮叶片前缘仿形涡流检测建立前缘及仿形线圈有限元模型,运用有限元方法分析叶片前缘凹坑、长裂纹、边沿凹坑3种典型缺陷在内外两种激励、不同内径线圈、不同频率等模式下的检测信号特征。仿真结果表明：大曲率前缘实施仿形涡流检测,检测区域可有效覆盖整个前缘区域,检测频率越高,检测灵敏度越高。双线圈检测模式下,外激励内接收比内激励外接收灵敏高,当内检测线圈尺寸大于缺陷的尺度时,内接收线圈内径越小,其相对灵敏度越高。结合仿真结论,制作前缘缺陷试块,采用锁相放大及图形化编程技术,设计前缘仿形涡流检测系统,试验结果表明,仿形线圈可有效检出前缘典型缺陷,检测幅值相位输出结果与仿真结论相似。研究成果可用于指导大曲率叶片前缘的工程实践检测。     

导热-辐射耦合传热的多尺度分析和数值模型

复合材料高温传热特性的准确预测对飞行器热防护结构的设计有重要意义,相关模型也是国家数值风洞工程中多相多介质计算模型的重要组成部分。针对周期性结构复合材料的高温传热问题,利用多尺度渐进分析方法,对包含导热方程和辐射传输方程的导热-辐射耦合传热模型开展了研究。建立了表征单元尺度模型及宏观平均导热-辐射耦合传热模型,获得了材料宏观等效导热系数与表征单元模型间的关系,发现宏观等效辐射吸收和散射等系数可通过表征单元内的体积平均求取。结合有限容积方法与格子Boltzmann方法,建立了复合材料导热-辐射耦合传热多尺度数值模型。采用二维常物性材料传热过程的模拟验证了多尺度模型的有效性,结果表明所建立的多尺度模型能够对温度场给出准确高效的计算结果。该方法有助于为复合材料传热特性的预测提供数值手段。     

燃油跨多隔舱流动及晃动特性分析

为获得输油过程中燃油流通能力及弹射起飞激励下的晃动特征,通过采用有限点集法对多隔舱油箱进行了数值模拟。研究结果表明：有限点集法可以清晰捕获燃油流动和晃动的自由液面特征。油箱载油量影响晃动的程度,油量减少则液面变化剧烈,重心发生大范围移动。隔舱框板的开孔面积是影响流通能力的重要因素,当其在±10%范围内变化时,流动阻力及能量耗散差异显著,这在一定程度上揭示了框板开孔与晃动抑制之间的内在机理,为多隔舱框板的工程设计和流体晃动阻尼理论研究提供重要参考。     

变弯度后缘与常规舵面机翼的颤振主动抑制对比

后缘变弯度机翼的气动弹性建模与稳定性分析日益受到关注。为了探究变弯度后缘相比常规偏转舵面机翼颤振主动抑制的方法与特点,以一个小展弦比后缘变弯度机翼为对象,首先建立结构有限元模型,并引入变弯度后缘变形模态和常规舵面偏转模态,采用亚声速偶极子格网法计算非定常气动力;然后使用基于最小状态法的有理函数拟合进行频域到时域模型的转换,建立两种构型机翼的气动弹性模型,并在建模时考虑了变弯度后缘与常规舵面控制带宽的差异;最后利用线性高斯二次型方法设计控制律进行颤振主动抑制,分析对比两种控制方式的特性差异。结果表明：采用变弯度后缘的闭环系统能够将颤振临界速度提高22%,其提升效果优于常规舵面,所需舵面偏转峰值更小。     

辐射换热对平板气膜冷却性能影响

为了分析辐射换热对平板气膜冷却性能的影响,分别对不考虑辐射换热(耦合计算)与考虑辐射换热两种条件下的平板隔热屏进行了三维流热耦合数值模拟研究,并与绝热壁(不考虑隔热屏固壁导热)的计算结果进行了对比。辐射换热采用离散坐标法。得到了3种不同主/次流总温比(Rt)条件下气膜冷却效果、流场、单位面积冷流体热负荷以及流量系数的对比结果与变化规律。结果表明:气膜冷却效果沿流向逐渐降低,且随总温比的增加而降低;在展向上气膜冷却效果呈现中间高两边低的分布规律,最大与最小相对值在绝热壁条件下达到最大,为94.5%,辐射换热次之,为13.5%,不考虑辐射换热时最小,为9.8%。与不考虑辐射换热结果相比,辐射换热对气膜冷却效果的影响在流动方向逐渐变大,气膜孔附近展向温度梯度增大,冷流体热负荷增加了92.8%,二者计算的流量系数相差不大,为1.1%,与绝热壁计算结果相比,流量系数减小了13.1%。随着总温比增加流量系数减小,最大值与最小值相差不大,为1.1%。     

多齿轮缘封严特性的实验

使用气体体积分数法得到了多齿轮缘封严的封严效率分布,获得封严效率随无量纲封严流量变化规律,最终拟合得出实验工况下的最小封严流量计算关联式（实验中主流雷诺数为1.42×105~3.20×105,旋转雷诺数为5.27×105~1.36×106）.通过对二氧化碳体积分数的测量结果表明:在盘腔内部高半径处封严效率较低,而低半径处封严效率一直处于较高的水平;封严效率随封严流量的变化与Owen封严效率方程有较好符合度,说明可以用封严效率方程对多齿轮缘封严进行预测,实验结果进一步扩展了其应用范围.      

高空飞艇螺旋桨优化设计与气动性能车载试验

结合某高空飞艇螺旋桨的总体设计方案要求,完成螺旋桨的优化设计以及气动性能车载试验.采用叶素动量理论作为螺旋桨气动性能的计算方法,并通过风洞试验验证了该方法的可靠性.结合遗传算法对螺旋桨的弦长和扭转角进行了优化,使螺旋桨更加高效轻质,优化后螺旋桨设计点的气动效率增加了2.3%.建立螺旋桨车载试验测控系统,可以改变试验海拔高度和大气参数,得到优化设计螺旋桨不同工况的气动性能.试验结果表明,相同转速和来流条件下,海拔越高,螺旋桨的推力和扭矩越小.海拔为3-6km时,全尺寸高空飞艇螺旋桨计算推力和扭矩与试验结果的平均相对误差分别为2.8%和9.2%,两者基本吻合,从而验证了高空飞艇螺旋桨车载试验的准确性.      

螺旋桨-自由涡轮涡桨发动机稳态/过渡态数值模拟

为实现对涡桨推进系统整体推进性能的数学模型模拟,以螺旋桨/桨扇作为受飞行外流条件影响的推进系统内流部件之一,引入其特性图,用跟随流量方法解决螺旋桨-自由涡轮转子与涡桨发动机燃气发生器的流量平衡、功率平衡,发展了螺旋桨-自由涡轮涡桨发动机内流特性部件法数学模型,实现了对该类涡桨系统稳态/过渡态的数值模拟。对某8MW三轴桨扇发动机的台架转速特性和飞行任务剖面特性的数值模拟结果表明:该数学模型可以较为准确模拟出包含桨叶变动桨距角、攻角等在内的外流螺旋桨/桨扇部件工作点详细参数,和高度、速度、涡轮前温度同时变化的多条件、多变量涡桨发动机的稳态/过渡态推力、推力耗油率等特性.      

用于压气机流动计算的3种模型比较

为了更好地对压气机流动进行模拟,在课题组自行开发的结构化有限体积解算器上实现了用于压气机流场计算的混合平面法、谐波平衡法及相滞后法.以NASA Stage 35为例,对3种方法的计算结果进行了比较分析.结果表明:相滞后法的计算精度最高,混合平面法的计算精度最低;相滞后法与半环的双时间推进法结果相近,计算速度提高了20倍;相比混合平面法,谐波平衡法能准确地模拟动静叶间的非定常干涉及进出口参数变化;在谐波阶数达到5阶后,谐波平衡法计算得到的结果不随阶数变化,且与相滞后法的结果基本吻合;混合平面法的计算效率远高于另外两种方法,相滞后法与谐波平衡法在谐波阶数为5阶时的计算效率相当.