大子午扩张涡轮端区的流动传热及端区正弯效果的数值研究

为了研究大子午扩张涡轮端区流动和传热特性,并研究叶片端区正弯技术在大子午扩张涡轮中的气动和传热效果,对某大子午扩张涡轮静叶进行数值模拟。运用SST湍流模型精确捕捉流动结构,并进行了气动和传热预测的有效性实验验证。通过分析结果,对大子午扩张涡轮端区流动和传热特性以及两者相互影响关系进行了深入研究,分析了端区正弯技术在重组大子午扩张涡轮端区流动以及合理分布热负荷的应用效果。结果表明：大子午扩张端壁导致涡轮端壁附面层的强烈分离,通道涡分离点提前约15%,高传热区受马蹄涡和通道涡的强烈影响;端区正弯有效地改善了大子午扩张静叶端壁的附面层分离,减小前缘的热负荷25%,提高涡轮的气热性能。     

横向脉冲喷流超声速燃烧流场数值模拟与分析

为了研究横向脉冲喷流对燃烧室流场结构及燃烧特性的影响,对带后台阶的超燃冲压发动机燃烧室横向氢气喷流超声速燃烧流场进行了数值模拟。采用有限体积法求解多组元Navier-Stokes (NS)方程,分别对定常喷流与两种脉冲喷流超声速燃烧流场进行了数值计算,对比分析了三种氢气喷注方案下的流场结构、氢气掺混燃烧特性及燃烧室总压恢复特性。研究表明:脉冲干扰仅对燃烧室内局部流场产生周期性影响,且有利于氢气的横向扩散;采用与定常喷注喷流参数相同的脉冲喷注方案时,可在脉冲干扰区内保持氢气掺混量与定常喷注基本相同,氢气燃烧量与总压恢复系数整体上与定常喷注基本一致;采用特征时间内喷出氢气质量流量与定常喷注相同的脉冲喷注方案时,在燃烧室出口处氢气掺混量和燃烧量较定常喷注分别提高了21.94%和32.24%,总压恢复系数仅减小4.17%。采用脉冲喷注方案增加了燃料与空气接触面面积,对燃料掺混及燃烧起促进作用。     

扇形板压力畸变模拟器特性研究

根据小型涡轮发动机的使用条件,总压畸变是对发动机气动稳定性影响最大的外部降稳因子,小型涡轮发动机常采用模拟板方法为抗畸变试验提供总压畸变流场。本文设计了扇形板式可调压力畸变模拟器,用于涡扇发动机抗畸变试验。通过数值模拟获取了畸变模拟器的全流场特征,通过畸变模拟器吹风试验表明,扇形板后的流场掺混特性较好,扇形板畸变模拟器堵塞系数在8%～16%内,畸变模拟器的综合畸变指数在2%～13%内连续可调。畸变模拟器满足小型涡扇发动机抗畸变试验所需综合畸变指数要求。     

TC17钛合金焊接及局部热处理残余应力的数值模拟

对TC17钛合金平板的氩弧焊焊接和焊后热处理过程进行了数值模拟,模型中考虑材料相变和蠕变,计算得到焊接和热处理过程中的温度场演变情况和热处理前后残余应力分布规律。结果表明,由于存在较大的热输入,焊后产生了较大的残余应力,焊缝附近的HAZ区域纵向残余拉应力达到了650MPa左右,热处理后降低至160MPa左右。采用小孔法和X射线衍射仪测量了试件的残余应力,模拟计算得到的残余应力值与小孔法测试结果符合性较好。     

基于OpenFOAM的三维H2/Air连续旋转爆轰流场数值模拟

为进一步研究旋转爆轰流场特征,基于开源计算流体动力学软件OpenFOAM,采用9组分19步的基元化学反应模型,对H2/Air连续旋转爆轰流场进行了三维数值模拟,得到了旋转爆轰波稳定传播时燃烧室内部流场的详细结构,研究了燃烧室头部激波的传播特性,分析了旋转爆轰燃烧室的压力增益性能。结果表明:旋转爆轰波后的第一道反射激波在由燃烧室外壁面向内壁面传播过程中反射激波的高度增加并在靠近内壁面附近与滑移线交汇形成局部高温高压区域;旋转爆轰波在外壁面位置处相位约落后于内壁面0.003rad～0.15rad,其相位差随燃烧室曲率差的增加而增大;燃烧室头部反射激波数目受到曲率差和进气总压的影响,燃烧室曲率差增大,反射激波数目减少,进气总压增大,反射激波数目增多;燃烧室压力增益保持在0.3以上,在进气总压一定的条件下,压力增益随着燃烧室曲率差的增大有增加的趋势。研究结果揭示了三维旋转爆轰流场的精细结构和燃烧室头部激波的传播规律。     

硝酸羟胺基单组元液体火箭发动机起动过程的模拟

无毒单组元液体火箭发动机是空间推进的发展方向之一。针对硝酸羟胺基单组元液体火箭发动机的起动过程,建立了零维模型、不考虑相变过程的仿真模型和考虑相变过程的仿真模型,并采用这些模型对60 N发动机进行了起动过程的模拟和对比分析。计算结果显示,推力室升压过程历经快速的气体充填和较慢的催化室升温两个阶段。零维计算模型和不考虑相变的CFD方法计算得到的两个阶段时长基本一致,但第一阶段时间显著低于试验结果,第二阶段时长与试验结果符合。考虑推进剂相变过程的模型计算结果与试验结果符合较好。一维计算得到HAN基推进剂在进入催化床约4mm的长度内完全分解。升压第一阶段受催化分解影响很大,HAN基推进剂的分解反应速率低于肼的分解反应速率。     

真实气体效应下高马赫数内转进气道特性研究

为初步研究高马赫数内转进气道在真实气体效应下的工作特性,首先设计额定工作状态Ma=12的高超声速内转进气道,再结合不同气体模型对其进行数值模拟。研究结果表明:化学非平衡气体在流场结构、工作性能和气动加热方面与热完全气体较为相近,与热化学非平衡气体存在一定差别。离解反应发生在边界层内和低速涡流区内,热化学非平衡气体的离解反应程度比化学非平衡气体大。在隔离段内激波反射处,相比完全气体,化学反应气体的静温降低了2000～2500K。高热流区在上壁面喉道位置与下壁面激波反射点位置附近,温度较高的等温壁面、热化学非平衡气体均可降低壁面热流密度,不同壁面条件对隔离段出口性能参数影响较为明显。真实气体效应、壁面温度对隔离段涡流区的影响较为复杂,有待进一步研究。     

回填式搅拌摩擦点焊过程温度场的数值模拟

根据回填式搅拌摩擦点焊的连接机理,合理的温度场是获得高性能接头的基础;根据回填式搅拌摩擦点焊过程的特点,利用有限元分析软件MSC.Marc建立了焊接过程的有限元模型;在利用测温试验验证有限元模型正确性的基础上,利用数值模拟的方法对7075–T6铝合金焊接过程中的温度场进行研究。结果表明:在预热阶段,温度峰值随摩擦时间的增加呈现先快速后缓慢上升的趋势,在8s左右趋向稳定;在焊接阶段,温度峰值始终位于套筒端面的中心附近,且最大值出现在套筒回抽1s时,同时提高搅拌工具的旋转速度可增加焊接过程的温度最大值。     

粗糙元诱导的高超声速转捩机理及应用

采用直接数值模拟（DNS）方法细致刻画了不同类型粗糙元诱导的高超声速边界层从层流到湍流的转捩过程,从拓扑结构稳定性和边界层流动稳定性两个角度分析了不同类型粗糙元诱导转捩的机理。通过对不同类型粗糙元诱导转捩机理的研究,设计了一种对齿型粗糙元,其具有小尺度、低摩阻、低热流、诱导转捩能力强的特点。研究发现不同类型的粗糙元底部区域均存在鞍点-结点-鞍点（SNS）型轨线,在扰动的作用下其会形成非定常、非对称的振荡结构。同时针对斜坡型以及对齿型粗糙元的工程应用开展了研究,验证了不同类型粗糙元诱导转捩的机理,为强制转捩装置设计提供了基础理论支撑。