喷管内缝隙流场与热环境数值模拟研究

用有限元素法数值模拟了固体火箭发动机喷管内缝隙的流场和热环境。采用非结构的高分辨率的有限元离散格式,计算了不同攻角和不同Ｍａ数的缝隙内压力分布和气动加热,分析了缝隙内流场和热环境特性,数值结果与风洞实验结果符合很好。     

高超侧压进气道前/后掠的数值分析和比较

侧板构型和唇口位置是影响侧压式进气道性能的关键参数。选取了5个具有一定代表性的状态点对前/后掠进气道模型进行了计算和分析,重点比较了当侧板前/后掠时进气道的流量系数、压升、出口气流均匀度等性能。通过对比分析,发现侧板前掠时进气道的流量系数、压升大于侧板后掠结果,且进气道出口流场更均匀。当马赫数较低时,前/后掠进气道性能差别比较明显:同为50%溢流窗,来流马赫数4时,侧板前掠的进气道流量系数比侧板后掠的情形高出7.7%;而当来流马赫数为8.09时,侧板前掠的进气道流量系数仅高2.6%。     

外形设计对微喷管性能的影响

利用直接模拟蒙特卡罗法对钟形、喇叭形和锥形等三种不同形状微喷管进行管内气体流动模拟,并对不同温度及入口压力下各形状喷管的性能变化进行模拟分析,模拟中采用与实际分子碰撞过程更为接近的内能松弛模型及CLL物面反射模型。研究结果表明钟形微喷管因扩张段回流区的存在,其推力性能明显低于喇叭形和锥形微喷管,锥形微喷管的推力性能同喇叭形微喷管较为相近。三种形状的微喷管推力值都随着入口温度的升高而降低,而微喷管的推力效率随着入口温度的升高而上升,入口压力的变化对微喷管推力有较大影响,但对微喷管的推力效率影响并不显著。     

二次流喷射对喷管流场性能的影响

采用有限体积法求解二维守恒型雷诺平均N-S方程,数值模拟了单膨胀斜面喷管内外流场,研究了二次流喷射对单膨胀斜面喷管非设计状态性能的影响,给出了性能随喷射流量、喷射总压和喷射角度的变化规律。计算结果表明,在喷管下斜板尾缘进行二次流喷射可以提高喷管非设计状态性能,喷射流量和喷射角度是影响喷管性能提高的主要因素,并存在最优的喷射流量和喷射角度,喷射总压对喷管性能影响较小。     

轴流离心组合压气机性能及流场分析

以某轴流、离心组合式压气机为研究对象,采用数值模拟方法研究了不同转速典型工作状态下该压气机的性能和流场细微结构,为进一步提高压气机的压比、效率,扩大压气机的稳定工作裕度,对压气机进口导流叶片和第一级静子叶片安装角进行优化调节,对改进后压气机的典型工况进行了数值模拟,并进行了相应的试验研究。研究结果表明优化后压气机稳定工作范围增大,在90%设计转速和最大压比不变的情况下,最高效率提升1.05%,典型工况下流场结构也有不同程度的改善。     

旋转爆轰流场的数值模拟

基于带化学反应的二维Euler方程,采用氢气-空气的9组分19步基元反应简化模型,对充有当量比的氢气-空气预混气和空气的环形旋转爆轰流场,从点火燃烧到发展成旋转爆轰的过程进行了数值模拟。根据数值结果分析了波后流场中爆轰产物受激波、高温和离心力等作用而挤向外壁,形成有利于充入燃料,实现持续稳定旋转爆轰的流场特征。还讨论流场中爆轰波、激波与间断面和内外壁面反射或折射,从而形成多个激波相交的波系特征。为认识和理解旋转爆轰流场,开展旋转爆轰的实验研究等具有现实的指导意义。     

壁面粗糙度对微通道流动影响的数值模拟研究

采用多孔介质模拟粗糙元,对不同雷诺数及截面尺寸下方形直管微通道的流动进行数值模拟研究,分析了不同粗糙表面的微通道内流流场的分布及变化规律,并将数值模拟结果与实验进行了比较,发现两者最大相对误差不超过16%,表明采用多孔介质模拟粗糙元,使用数值模拟方法研究微通道内的流动是可行的。     

激波边界层的相互作用对扰动波传播的影响

利用线性稳定性理论和直接数值模拟研究了带有入射斜激波的、来流马赫数Ma=4．5条件下的平板边界层的失稳特性。重点考察了在由于激波边界层相互干扰,平板边界层上形成分离区,又进而产生激波、膨胀波和旋涡等复杂流动现象的流场上游,引入小扰动的TS波后,扰动波传播通过带有这些复杂流动现象的流场时,扰动波的发展变化特点。通过对流场中扰动波（包括基本波和衍生波）演化特征的分析,研究分离和激波等复杂流动现象对平板边界层稳定性的影响特点。数值模拟发现,激波的出现不同于一般的压缩波,在亚声速区与超声速区对扰动波演化的影响是不同的,此外,分离对扰动有稳定作用。     

旋转对内冷通道气膜孔流量系数的影响

为了获得涡轮叶片旋转时对气膜孔流量系数的影响,采用非结构化网格及标准k-ε紊流模型,求解三维N-S方程,对带90°肋和气膜孔出流的旋转矩形通道内的三维流场进行了数值模拟,气动参数变化范围是:通道入口雷诺数Re=60000,150000,罗斯贝数Ro=0,0.11,0.22,气膜孔总出流比为0.22和0.09。Ro≠0时,旋转效应对气膜孔流量系数有明显影响,通道顺时针旋转时,科氏力由上壁面指向带气膜孔的下壁面,引起流量系数增加;通道逆时针旋转时,情况相反。计算结果还表明,在通道内同一径向位置处的两个气膜孔的流量系数是不同的,通道顺时针旋转时,进入左侧孔的流体和气膜孔轴线的夹角小于进入右侧孔的流体和气膜孔轴线的夹角,导致左侧孔的流量系数大于右侧孔的流量系数;通道逆时针旋转时,情况相反。Ro=0时的计算结果与实验数据符合很好。     

顶部喷气对高速轴流压气机性能及流场的影响

喷气是提高压气机稳定工作裕度的有效措施之一。采用数值模拟方法研究了顶部喷气对某轴流压气机气动性能的影响。数值计算所获得实壁机匣总性能与其试验结果相吻合。喷气数值计算结果表明，转子上游约30％轴向弦长处的喷气推迟了失速的发生。通过详细地分析顶部喷气对压气机顶部区域流场结构的影响，揭示了其扩稳机理。