轴流涡轮基元级动叶稠度特性的数值研究

利用商用软件数值模拟了5个不同动叶稠度的轴流涡轮基元级的非定常流动情况,以研究动叶稠度对轴流涡轮基元级性能和流动情况的影响.通过对动叶稠度对基元级反力度、叶片进出口气流角、转子和静子中的流场及损失影响情况的考察研究,发现动叶稠度的改变对涡轮基元性能和流动情况的影响与静叶稠度存在重要关系.静叶稠度不变时,动叶稠度的改变通过影响流过涡轮基元级的流量来使基元级的反力度发生变化.当动叶稠度过大时,气流在转子中会过度膨胀加速而产生激波损失及其与附面层干涉形成的流动分离损失.动叶稠度过小时,转子进口会出现极大的正攻角致使动叶吸力面发生大范围的流动分离.静叶稠度一定时,存在一个最佳的动叶稠度,使涡轮基元级呈现最好的性能.      

轴流压气机角区分离的研究进展

角区分离是一种常发生于轴流压气机"吸力面-端壁"角区的三维分离现象,该现象以及随之产生的流场堵塞和流场损失会对压气机的稳定工作和效率造成不良影响,严重时会发展为"角区失速"。随着现代轴流压气机单级负荷的提升,角区分离所产生的负面影响日益突出,严重阻碍了高负荷压气机的发展,各种主动、被动流动控制方法也因此被广泛应用于角区分离的流动控制。首先,从角区分离对轴流压气机性能的影响、角区分离的流场特征和角区失速的判别准则3个方面对轴流压气机角区分离的流动机理研究进行了回顾,详细讨论了角区分离的影响因素、角区分离的流动拓扑分析以及角区失速的定义与判别方法。其次,对三维叶片设计、翼刀与凹槽、旋涡发生器、非轴对称端壁造型、射流式旋涡发生器、等离子体气动激励以及附面层抽吸与附面层射流7类流动控制方法的研究进展进行了回顾,重点探讨了这些流动控制方法在抑制角区分离方面的应用,并给出了这些流动控制方法的对角区分离的作用机制。最后,对角区分离领域的研究现状进行了简要地总结,指出了现有角区分离的机理研究和流动控制研究所存在的不足,并对该领域未来的发展进行了展望。     

燃-滑油换热器壳侧换热特性研究

针对航空发动机滑油系统所使用的小管径燃-滑油换热器,开展了壳侧换热特性实验研究。研究表明:当壳侧为滑油单相流时,壳侧对流换热系数可以采用Kern经验公式计算;在换热器可能的工作范围内,壳侧气液两相流流型为泡状流;保持液相折算速度(或气相折算速度)不变,两相对流换热系数随气相折算速度(或液相折算速度)的增大而增大,相同液相速度时,两相对流换热系数要大于单相,最大可达2.3倍;最后根据泡状流特点,基于L-M模型给出了壳侧两相换热系数计算公式,计算平均相对误差为3.6%,可满足工程需要。     

旋流畸变影响低速轴流压气机数值模拟研究

为研究进气旋流畸变对轴流压气机性能和稳定性影响的机理,设计了一种叶片式旋流畸变发生器,分别采用定常和非定常计算方法对旋流畸变发生器和两级低速轴流压气机进行了联合数值模拟研究。定常计算结果表明:旋流畸变发生器的叶片弯角越大、对涡强度越高;对涡旋流导致压气机总压比和效率降低,稳定边界流量明显增加;对涡强度越大,对压气机性能和稳定性影响越严重;对涡的反向涡对压气机影响较大,同向涡影响较小;反向涡造成部分叶片的叶根区域吸力面附面层提前分离,是导致压气机失稳的主因;非定常解的总压比和效率均略高于定常解,两种计算方法得到的稳定边界差异明显,非定常解的稳定边界流量比定常解小19.2%,非定常计算结果更接近试验值。     

基于合成射流的二维后台阶分离流主动控制

作为一种新的流动控制激励器,合成射流技术在流动分离控制、降低压力脉动和抑制噪声等方面具有广阔的应用前景。实验利用合成射流主动控制技术对二维后台阶湍流分离再附流动控制进行了研究,应用表面测压、粒子图像测速(PIV)和热线等多种实验测试技术对后台阶表面压力分布、流场结构以及剪切层特性进行了测试。结果表明,在台阶前缘施加合成射流可有效减小回流区范围和降低再附长度,当合成射流的动量系数为0.301×10^-3时,可使再附点长度减小25%。合成射流控制使得沿台阶下游的湍动能和雷诺应力增强,提高了台阶下游流场的混合效率。热线动态结果表明频率是后台阶分离流动控制的关键参数,当频率为260 Hz、激励频率与剪切层涡脱落频率之比为1.32、激励频率等同于旋涡脱落频率时,合成射流控制效果最好,仅需消耗较小的能量即可实现流动控制的目的。     

后掠唇口对二元高超声速进气道起动特性的影响研究

为深入探究唇罩侧板后掠对二元高超声速进气道起动性能的影响规律,采用风洞试验与三维数值模拟分析相结合的方法,对比分析了侧板不同后掠状态下的不起动流场特征,细致地研究了后掠角度影响进气道起动的流动机理。研究结果表明:唇罩后掠能够提高进气道的起动能力,来流Ma=5.0和Ma=4.0时,进气道的最小起动后掠角分别为75°和82.5°。Ma=5.0来流条件下,不起动的分离包前缘形态在一定范围内基本不受后掠角影响。唇罩后掠角度增大时主要通过侧板的展向溢流,改变分离包的位置及形态,进而通过降低分离包内的逆压梯度来影响进气道的起动性能。     

高速压气机等离子体流动控制仿真研究

为了研究等离子体流动控制扩大压气机稳定性的流动机理,采用数值模拟方法研究了三种轴向等离子体激励方式对转速15200r/min,叶尖速度350m/s的高速压气机的扩稳特性。结果表明,对于轴向布置的三组等离子体激励器,其安装位置对单转子轴流压气机扩稳效果具有重要的影响,当第二组激励器位于叶尖前缘时扩稳效果最好。通过分析可知,等离子体气动激励能够显著改善叶顶负荷分布,抑制动量比的增加,改善泄漏涡的位置与形态,抑制泄漏涡向前缘的摆动,减小叶顶阻塞区域,最终扩大了高速轴流压气机的稳定工作范围。     

叶身融合技术在涡轮中的应用

将叶身融合技术进一步应用于涡轮,探索其技术应用效果.为此,以TTM-stage为原型,施加7种不同的叶身融合模型,并采用数值模拟方法进行了对比研究.结果表明:前缘融合面可削弱马蹄涡;侧融合面可削弱角区分离;对静叶实施融合使动叶进口总温附面层厚度降低,在通道涡作用下高总温流体被部分推离,明显降低了轮毂壁温.      

基于快速终端滑模的吸气式导弹级间分离控制

针对吸气式导弹级间分离控制存在模型参数突变和强分离干扰等不确定性问题,提出了一种快速非奇异终端滑模变结构控制方案。采用动态逆方法将分离控制数学模型输入/输出线性化,然后对线性化模型设计了快速非奇异终端滑模控制器,并采用蚁群优化算法对控制器参数进行优化。对正常分离条件和异常分离条件下控制器的性能进行了仿真验证,结果表明二级导弹姿态角和角速度分别在0.5s,1s内收敛至期望状态,同时舵面无抖振现象。     

环量控制技术研究

未来军/民运输机的高性能要求促使近年来环量控制技术正成为研究的新热点。本文简单介绍了环量控制研究的进展;深入讨论了包括二维环量控制翼型标模和CCA/OTW(Circulation Control Airfoil/Over the Wing)实验、半模型子系统实验和三维翼身融合体全机实验等可供CFD验证用的NASA实验研究。在2个尺寸相近的风洞中对同一二维标模的实验结果表明,源于切向吹气的最大升力系数C_Lmax在中等缝道出口高度时可达8~9。数据对比表明此实验结果可供计算流体力学(CFD)验证用。二维CCA/OTW实验表明,发动机位置前移可大幅增大失速迎角和C_Lmax;CCA后缘吹气噪声的低频部分强度与速度的8次方成正比,高频部分与速度的6次方成正比。半模型子系统的FACT-MAC跨声速实验不仅可研究高雷诺数效应,且可提供2种飞行状态的数据。初步结果表明,与无射流的低速数据相比,在α=25°时C_L增大约33%,跨声速时在非设计状态下射流可有效地使激波诱导的分离再附,在保持原有强度下激波位置可后推5%的弦长。三维全机CCW/OTW的实验数据尚在整理分析中,但初步结果已表明,应用前缘吹气可将失速迎角增大至25°,C_Lmax增大至6,正确安排OTW位置可增大升力线斜率等。