为准确评估涡扇发动机冠状喷口的气动性能,提出了一种基于流量守恒的出口定义方式,并验证该出口定义方式与物理出口的一致性,对冠状喷口在设计点和非设计点工况下的气动性能进行了系统性评估与考察。结果表明在设计点工况下,冠状喷口外形参数中,内切角对推力性能影响最大、齿数影响次之、齿长影响最小;冠状喷口下游流向涡对是导致剪切层增厚、湍动能衰减、核心区长度减小的主要原因;在非设计点工况下,冠状喷口可有效降低出口附近的激波强度,使其堵塞状态压比远高于基础构型喷管。

为满足现代航空发动机“更紧凑的级间距、更高的经济性和更低的噪声”的设计目标,低压涡轮轴向间距设计得越来越小。然而,较小的轴向间距将严重影响涡轮的气动性能及动静干涉噪声,这对流动及噪声控制方法提出了更高的要求与挑战。为此,采用大涡模拟结合FW-H方程研究了不同轴向间距情况下,上游静叶尾缘采用短、长锯齿结构时,一级低压涡轮叶栅动静干涉噪声及气动性能的变化规律。结果表明轴向间距的缩短会导致低压涡轮气动性能恶化,下游动叶前缘受到更强的逆压梯度和“逆射流”效应,从而增大动静干涉噪声;上游静叶采用锯齿尾缘结构,产生于锯齿根部的微射流可以抑制“逆射流”效应,消除分离泡,削弱非定常干涉效应,提升气动性能,降低动静干涉噪声;较短轴向间距情况下,长锯齿尾缘静叶降噪效果更好,相较于原型静叶,长锯齿尾缘静叶可...

为控制空气涡轮起动机自由运转,减少自由运转转速过高对空气涡轮起动机结构重量及安全运行带来的不利影响,开展了涡轮气动设计对空气涡轮起动机自由运转转速的影响分析,提出通过控制来流攻角降低自由运转转速的气动设计方法,识别了影响来流攻角的四个主要因素叶片构造角、反力度、载荷系数和流量系数。结果表明来流攻角对自由运转转速具有非常明显的影响,通过选择合适的气动参数,可有效提高峰值功率转速下的负攻角,增强大转速状态下的转子攻角损失,进而降低涡轮自由运转转速。进一步,整机试验结果证明,采用本文提出的设计方法,优化后的涡轮在峰值功率基本不变的前提下,峰值功率转速降低17.8%,自由运转转速可降低近20%。

为探究稀薄流流域迎风凹腔的气动防热特性,采用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法,对稀薄流流域中航天器鼻锥迎风凹腔气动力与气动热性能进行了研究。得到了鼻锥外壁面、凹腔侧壁面以及凹腔底面的热流密度分布情况,分析了不同凹腔深宽比对鼻锥冷却效率以及凹腔腔体内气体参数的影响。以深宽比为1的凹腔为基准,研究了凹腔唇口钝化半径对航天器气动热与气动力的影响。数值结果表明,稀薄流流域中迎风凹腔能够使鼻锥外壁面的热流密度下降7%左右;当凹腔深宽比达到1之后,凹腔侧壁面热流变化趋于一致,热流密度最低点的轴向位置不随深宽比改变,且凹腔底部热流很小,仅为L/D=0.5算例的28.66%;凹腔近底部气体均由稀薄流转化为连续流,凹腔内气体压力不断振荡;唇口钝化没有明显优势,虽然可以降低鼻锥峰值热流,但是会带来严重的气动力性能下降。

为优化倾转旋翼机气动布局,研究旋翼螺旋桨与机翼间复杂的气动干扰,在考虑有限翼展三维效应、翼尖小翼情况下,通过改变机翼外翼段的长度,研究了旋翼螺旋桨与机翼间的气动干扰规律。使用计算流体力学的三维非定常计算方法获得了巡航状态下旋翼螺旋桨与机翼的流场特征及气动特性参数,研究了螺旋桨滑流对机翼的上洗、下洗作用,以及机翼对螺旋桨滑流的阻塞作用。计算结果表明,随着机翼外翼段的增长,阻塞作用加大,螺旋桨的拉力系数、功率系数均有增大,并且存在周期性波动,波动幅值在5%~6%;机翼受螺旋桨滑流上、下洗作用,其升力系数和阻力系数都减小,但升力系数减小更为明显,升力系数和阻力系数都出现了1%左右的波动。计算同时也反映了有限翼展的三维流动特点。

为了提高旋翼螺旋桨的综合气动性能,基于叶素-动量组合理论并耦合了计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)方法,设计了一款旋翼螺旋桨,进行了螺旋桨巡航及悬停状态的气动特性计算及流场仿真,计算结果与风洞试验数据进行了对比分析。研究结果表明,在进行网格无关性研究基础上,数值计算与风洞试验的误差较小,设计点平均计算误差为3.0%左右,所采用的CFD计算方法具有较高准确性和可信度。设计的旋翼螺旋桨巡航效率高于80%,悬停效率高于70%,具备了较好的巡航及悬停的综合气动性能。

基于鲨鱼鳃射流减阻的思想,采用数值方法,将仿鲨鱼鳃结构应用在压气机平面叶栅中。在叶片根部从压力面向吸力面开槽,采用单个进口、两个出口的开槽结构,以期在获得较大的出口射流的情况下实现对压气机叶片的减阻,达到提高叶栅气动性能的效果。在保证开槽结构的进出口宽度、出口起始位置、开槽内的隔板宽度、深度等几何参数不变的基础上,研究开槽进口起始位置、开槽高度对叶栅性能的影响。结果表明合理的仿鲨鱼鳃开槽结构可以有效改变叶片吸力面根部角区的流动结构,抑制气流沿叶高方向的流动,从而降低流动损失;最佳方案为开槽结构位置位于48%~53%压力面弧长处,开槽高度为15%叶高,可以使压气机叶栅总压损失减小7.16%。

针对航空发动机叶片中的非同步振动诱发叶片断裂失效问题,基于时域推进的方法建立了压气机全周物理域的流固双向耦合模型,旨在对周向非定常扰流和叶片气动弹性特征进行更合理的描述。通过该模型揭示了叶片非同步振动的发生机理,并通过一定的气动布局手段优化了叶片表面气动力和振动幅值。研究表明叶尖泄漏流与主流掺混后形成的通道涡是诱发叶片产生非同步振动的根本原因,而掺混流的周向传播强度仅在一适中的范围内时才具有产生明显通道涡的能力,并提出以通道前缘截面上的流动相对周向动量Wmix为判断通道涡和振动幅度强弱的依据。导叶偏转角或导叶栅距非谐程度的增大,均会对掺混流的周向强度有一定的加强作用,使得通道涡强度和非同步振动幅值呈现先增大后减小的趋势。

在压气机叶片加工过程中,实际加工得到的叶片外形与设计叶型不可避免会存在一些偏差。为研究叶片叶顶间隙尺寸波动对性能的影响,以Rotor 37为研究对象,采用三维定常数值模拟方法,基于非嵌入式混沌多项式中二维正态分布变量产生方法,分别对叶片前缘叶顶间隙和尾缘叶顶间隙进行尺寸波动干扰,研究了叶顶间隙不确定性对气动性能和流场的不确定性影响,评估了公差带内叶顶间隙偏差与气动性能变化的相关性,并探究了叶顶间隙变化对叶片稳定裕度的影响机理。研究发现,叶顶间隙偏差对等背压条件下叶片质量流量、等熵效率和总压比的平均水平几乎不会造成影响;叶顶间隙偏差所造成的气动性能分布标准差随工况点向不稳定边界的逼近而逐渐增大。同时,叶顶间隙不确定性会导致样本稳定裕度均值有所降低,不确定性分析中稳定裕度均值相对原型叶片...

为了研究涡轮叶顶间隙泄漏流动有效控制的方式,本文将肋条小翼结构这种被动流动控制技术应用于涡轮级动叶叶顶中,以控制跨声速涡轮级叶顶间隙泄漏流动并改善其气动性能。通过数值模拟方法,分析了采用平顶方案、肋条方案和小翼肋条方案的涡轮级气动性能和叶顶间隙流动特性,研究了变间隙条件下小翼肋条方案对间隙泄漏流的控制效果,深入探讨小翼最大偏置距离和外倾角对小翼控制效果的影响。结果表明所采用的肋条小翼结构能够有效地控制叶顶间隙泄漏流动并提高涡轮级的效率;在间隙高度为1mm时,涡轮级效率的提升达到0.51%,叶顶间隙泄漏流率下降48.6%;此外,随着小翼外倾角的增加,涡轮级效率逐渐增加并存在一个最佳的向外偏置距离为1.2mm。