基于HyperFLOW平台的客机标模CHN-T1气动性能预测及可信度研究

近年来,针对实际飞行器外形的CFD气动性能预测及可信度研究逐步得到重视,国内也召开了第一届航空CFD可信度研讨会(AeCW-1)。本文首先基于自主研发的CFD软件平台HyperFLOW对NACA0012翼型低速绕流进行了网格收敛性研究,验证了软件对简单湍流问题的模拟能力且具备良好的网格收敛性。其次,针对AeCW-1提供的客机标模CHN-T1,选用其中的两个算例:(1)定升力系数的网格收敛性研究;(2)考虑模型支撑和模型静气动弹性变形的抖振特性研究,研究了计算结果的网格收敛性及模型支撑、静气动弹性变形和湍流模型等对气动特性预测精度的影响。结果表明:观测精度阶和网格收敛性指数显示数值结果具有良好的网格收敛性和可信度;是否考虑模型支撑对力矩的预测精度影响较大,引入尾撑和弹性变形后,数值结果与实验结果吻合较好;对于CHN-T1标模,采用QCR关系式对原始SA模型进行修正对标模力矩特性有一定影响。     

基于高保真有限元模型失谐叶盘受迫响应的统计特性

采用极值理论分析失谐叶盘最大受迫响应的统计特性并应用于某压气机叶盘上。对失谐叶盘进行减缩建模,运用蒙特卡洛方法模拟响应计算,研究不同激励阶次下最大响应放大因子的分布特性。采用极值理论对最大响应放大因子分布进行统计学建模,以极大似然估计方法求解未知参数,进行分布拟合,并采用K-S(Kolmogorov-Smirnov)检验方法检验各分布函数拟合的好坏程度。对某压气机叶盘进行失谐响应统计特性分析,对比了7种分布函数对最大响应放大因子的拟合效果,结果表明:极值分布、二参数威布尔分布、正态分布、对数正态分布和伽马分布拟合效果较差;常用的三参数威布尔分布不如广义极值分布的拟合效果好。因此,说明广义极值分布更能准确地描述失谐叶盘动力响应的统计特性。      

模化设计对离心压气机气动噪声的影响

采用数值计算方法研究了模化设计对压气机气动噪声的影响,三维流场计算结果表明模化设计压气机与原始机型满足相似准则,整级性能参数误差在2%以内;流场结构的分析进一步证实了模化机型与原始机型流场相似。基于非定常雷诺平均方法和声学边界元方法的混合气动声学方法对模化前后的压气机气动噪声进行了数值预测,结果表明:压气机气动噪声主要由离散单音噪声和宽频噪声组成,且离散单音噪声占主导。模化机型总声压级随着模化比减小逐渐减小,相比于原始机型,模化机型离散单音噪声峰值仅略有降低,而宽频噪声大幅提高。压气机气动噪声在进气管口有明显指向性,模化机型声压幅值和指向性较原始机型降低,且变化趋势与模化比成正比。      

悬停状态剪刀式尾桨气动/噪声特性优化分析

建立了一套基于CFD(computational fluid dynamics)方法和FW-H(Ffowcs Williams-Hawkings)方程的剪刀式尾桨气动噪声预估技术和组合优化算法的尾桨外形参数设计方法。基于嵌套网格方法采用雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程作为尾桨流场求解控制方程,采用了一套适用于剪刀式尾桨悬停气动特性模拟的高效CFD方法。在流场分析的基础上,采用FW-H方程预测剪刀式尾桨在典型观察位置处的气动噪声。分别在控制总距以及控制拉力系数不变的情况下,以提高尾桨悬停效率同时降低气动噪声为目标,对剪刀式尾桨的剪刀角和轴间距两个主要外形参数进行优化设计。将基于拉丁超立方(LHS)方法和径向基函数(RBF)的代理模型方法与遗传算法过程相结合,建立了一种有效的组合优化算法。结果表明:剪刀角和轴间距的不同组合可以通过削弱桨-涡干扰现象从而实现降低旋翼桨-涡干扰噪声的目的。在当前的计算状态下,优化得到的剪刀式尾桨的悬停效率比常规尾桨高16%,其平均声压级比常规尾桨降低了2.3 dB。      

反旋进气混合式减涡结构流动特性数值计算

提出了一种将反旋进气孔与减涡管相结合的混合式减涡器,数值研究了其减阻引气效果,分析了旋转雷诺数、无量纲入口质量流量对内部流场结构和压力损失的影响。研究发现:在混合式减涡器引气结构中,静压沿径向平缓降低,在周向分布均匀;随着无量纲入口质量流量或旋转雷诺数的增加,引气结构总压降呈现单调上升的趋势,其中在高旋转雷诺数、低无量纲质量流量工况下具有突出的减阻性能,其对应的湍流参数为0.106 4~0.324 5。相比于简单盘腔,反旋进气孔式及管式减涡器的压力损失分别降低62.5%、60.5%,混合式减涡器可降低80.4%,体现出良好的减阻引气效果。      

计及频率变化的感应电动机负荷特性分析

对于异步联网系统中网架结构比较薄弱的省网系统或者系统解列后形成的孤岛,发生故障时会引起比较大的频率波动,在此情况下对感应电动机进行建模时考虑其频率特性尤为重要。基于感应电动机一阶机械暂态模型,利用解析法分别推导出不同负载特性下稳态及动态转差率关于系统频率的表达式,并在此基础上计算吸收的有功功率和无功功率,进而分析感应电动机的功率频率特性。在MATLAB中建立感应电动机五阶电磁暂态仿真模型,仿真分析不同负载特性感应电动机的功率频率特性。仿真结果与理论推导结果吻合,验证了在简化模型下推导得到的感应电动机频率特性解析式的正确性和有效性。     

基于有限元法的无刷交流励磁机空载特性分析及额定励磁电流计算

针对无刷交流励磁机铁心结构的复杂性和铁磁材料饱和特性的影响,采用非线性有限元法,利用有限元软件Maxwell,建立无刷交流励磁机的二维模型,对空载特性及额定励磁电流进行研究分析。以1台28 kW无刷交流励磁机为例,对电机气隙磁场仿真分析并求取空载特性。计算所得的基波电势与实测结果相符,为此类电机电磁场的设计提供理论依据。在此基础上通过场路耦合的方法,用外电路来模拟额定负载工况,计算出额定工况下的励磁电流。该方法具有实用性,可为一般的交流励磁机励磁电流计算提供参考。     

不同校准装置对引压管腔动态特性校准

为了探索引压管腔在动态压力校准中各校准方法的一致性与数据准确性,确立了以简单直管形式引压管腔开展动态特性校准的研究。采用理论和仿真的手段分析并建立了引压管腔模型,理论模型和仿真结果一致性极高。利用3种正弦压力校准装置对同一引压管腔进行了动态校准组合试验,结果表明:3种校准方法所得的动态特性与理论分析趋势一致,对于引压管腔基频的校准各试验之间偏差小于0.55%,但与基频理论值最大偏差为-3.17%。该研究将会为未来引压管腔结构设计和动态特性的补偿修正提供了一定参考依据。      

基于非定常面元/黏性涡粒子法的低雷诺数滑流气动干扰

针对太阳能无人机螺旋桨滑流与机翼的气动干扰,考虑了低雷诺数流动下气体黏性和压缩性影响,并根据黎曼边界条件和涡量等效原则建立了能够快速计算分析螺旋桨-机翼气动干扰的非定常面元/黏性涡粒子的混合方法。首先使用有试验数据的风洞模型以及数值模拟技术对混合方法进行验证,在此基础上研究了不同安装位置与工况下螺旋桨与机翼的气动干扰。结果表明:螺旋桨对轴向气流的加速以及滑流诱导的上洗和下洗效应使机翼气动力呈现出增升增阻的现象,机翼升阻比有所下降。较大的弦向间距以及较高的垂直安装位置在减缓机翼升阻比下降的同时也使得螺旋桨拉力有所减小。对于多个螺旋桨的气动干扰,不同的桨叶旋转方向导致机翼气动力不同的变化规律,当旋转方向与机翼翼尖涡反向时,螺旋桨滑流能够抑制翼尖涡的强度,提高机翼气动效率。     

负错位密封静力与动力特性的数值研究

提出了一种抑制气流激振力的负错位密封结构,建立了基于瞬态流场CFD动网格技术的负错位密封静力与动力特性求解模型,分析了偏心率、错位率等因素对密封泄漏量、周向压力、气流力与动力特性系数及密封转子稳定性的影响.结果表明:密封的泄漏量随偏心率与错位率的增加而增大;密封间隙流体周向压力呈正弦规律分布;与传统圆形密封相比,负错位密封形成发散的楔形间隙,降低流体动压效应,降低周向压力差,减小密封的切向力;随着偏心率的增加,密封的直接与交叉刚度以及交叉阻尼的绝对值均增大,直接阻尼降低;与传统圆形密封结构相比,该型密封可有效降低密封的交叉刚度,增加主阻尼,提高等效刚度与等效阻尼,改善了密封的稳定性.