为研究吸气式冲压发动机变几何进气道的气动特性及流动机理,采用发展的重叠网格技术,对变几何平动方式的进气道开展了数值模拟研究。针对存在物面接触重叠网格的挖洞操作在执行时无法取得合理的插值模板问题,引入了虚拟单元赋值方法和“Collar”网格方法,实现了多体相交时重叠网格的计算。为了引入“Collar”型重叠网格,对其算法作了适当修改以适应本论文所建立的洞面优化方法。对平移过程中内收缩比变化对启动过程的影响进行了研究。通过迎着来流方向平移唇口,增大了进气道的内收缩比,导致内压缩段出现边界层分离,分离泡随着唇口的前移而增大,当其移出内压缩段时,原本启动的进气道进入不启动状态,而后移唇口减小了内收缩比,使分离泡减小并向下游移动,辅以边界层排移,可以改善进气道的启动性能。此外,对平移速度和振荡频率对启...

为了控制涡轮叶顶间隙泄漏流以改善叶顶区域的流动状况,提出了机匣周向槽造型方法。以典型跨声速涡轮级(Thermal Turbomachinery and Machine Dynamics,TTM)模型为对象,研究了不同高度的机匣周向槽造型对涡轮叶顶流动结构和气动特性的影响。结果表明,引入机匣周向槽造型后,近叶顶涡系结构发生了显著变化,叶顶泄漏涡(TLV)分为前后两部分,TLV-1穿过上通道涡(UPV)并逐渐被消耗,TLV-2则在周向槽之后重新形成并发展至尾缘,导致TLV的强度减弱,尺度减小。此外,由于周向槽的卷吸削弱了马蹄涡压力侧分支(HVP)的强度,加上TLV-1的压制和消耗,UPV更为远离机匣,与TLV的交互作用减弱,其强度减弱,尺度减小。总体而言,随着造型高度增大,叶顶间隙泄漏率逐渐减小,涡轮级总静效率先增大后减小。相比于无周向槽设计,当造型高度为2倍叶顶间隙时,叶顶泄漏率可降低0.15%,涡轮级总静效...

为揭示机匣可磨耗涂层磨损造成的叶尖间隙和粗糙度变化对压气机气动性能的影响规律,针对不同刮磨形貌下Rotor 37转子性能进行了数值模拟研究。结果表明,压气机等熵效率和出口流量对刮磨间隙和粗糙度的变化较为敏感,降幅最高可达1.78%和0.83%,而压比变化不大;刮磨间隙深度增加,刮磨最深位置前移时,叶尖泄漏增强,泄漏流与上端壁附面层及主流相互作用演变为泄漏涡,与激波相互干涉,造成较大的叶尖损失;压气机气动性能受磨损区域粗糙度影响较小,虽然等熵效率对粗糙度变化较为敏感,但最大降幅也仅为0.38%。磨损区域粗糙度增加时,近壁区湍流波动加强且气流更易分离,引起叶尖泄漏流和叶片尾迹区域的流动结构变化,使压气机气动特性向低流量方向偏移。

为缓解加工误差影响评估过程中的"维数灾难",结合展向平均假设和基于高斯过程的Karhunen-Loève展开,提出了一种由法向加工误差导致的三维叶片表面几何不确定性降阶模型。通过给定加工误差分布的标准差函数求解几何不确定性降阶模型,并运用伪蒙特卡洛方法随机生成样本,最终训练人工神经网络预测了加工误差对高负荷直叶栅气动性能和角区气动稳定性的影响。结果表明加工误差的影响与所处的工况有关;当处于近失速工况时,相对于原型,平均气动性能和稳定性降低,总压损失系数增大的概率约为83.29%,静压系数减小的概率约为79.20%,失速因子增大的概率约为69.10%;与设计工况相比,近失速工况下气动稳定性的不确定性增加,同时气动稳定性对于加工误差更加敏感。总压损失系数、静压系数和失速因子互相单调相关。前缘和吸力面型线的加工误差对损失影...

针对涡轮发动机隐身需求提出了一种进气导叶与吸波导流环一体化设计方法,确定了吸波导流环主要设计参数。将涡轮发动机中的导流支板等结构替换为进气导叶与吸波导流环一体化结构,并对两种结构气动性能与隐身性能进行了计算分析。计算结果表明,相比于原型支板,进气导叶与吸波导流环一体化结构雷达散射面积(RCS)在P波段平均下降1.55dB,L波段平均下降2.70dB,X波段平均下降10.23dB,而从气动性能角度,同样压比条件下,换算流量下降约1.7%~1.8%,总压恢复系数下降约0.04%~0.1%,而进气道出口总压畸变指数下降约0.2%。进气导叶与吸波导流环一体化结构可以明显提高进气系统隐身性能,而对气动性能影响较小。

为研究进气道出口截面形式对补燃室掺混气动特性和燃烧性能的影响,对双下侧布局形式的固冲发动机内流场进行数值模拟,对比分析了补燃室相同压比下,进气道矩形出口截面和圆形出口截面在不考虑燃气的混合和反应时掺混段的气动特性和考虑燃气反应时补燃室的燃烧性能。结果表明两股空气掺混过程中,研究的两种进气道出口截面方案的整体总压损失大致相同,但进气道圆形出口截面的掺混段内流线表现为不稳定的螺旋点形态,相比于方形出口截面的掺混段,其使气流掺混更剧烈,短距离内掺混已经很均匀,且旋流强度小;在考虑燃烧时,进气道圆形出口截面对应的补燃室出口总压恢复系数比方形截面的高约2%,方形进气道出口截面的补燃室出口截面总燃烧效率为95.58%,而圆形截面的达到99.86%。

针对湿压缩技术的应用,为了深入认识径向非均匀进气喷湿对压气机气动性能的影响,以某跨声速压气机级为研究对象,采用CFD技术结合欧拉-拉格朗日法对径向非均匀进气喷湿条件下压气机气液两相流场进行数值模拟,对比研究了叶顶、叶中和叶根局部喷湿三种不同径向位置喷湿条件对压气机气动性能及失稳边界的影响规律,并通过喷湿前后流动径向匹配规律及流动结构的变化解释了影响机理。结果表明叶顶喷湿相比叶中和叶跟喷湿是更好的喷湿方案,叶顶喷湿时压气机压比和效率升高程度更大,且稳定裕度降低程度更低;当液滴粒径小于50μm,喷射速度大于20m/s时,离心力对液滴径向迁移的影响可以忽略不计,液滴在经过压气机级流道过程中几乎不发生径向迁移,蒸发冷却效应只发生于喷湿的局部叶高范围;由于径向非均匀进气喷湿时压气机内部质量流量会向喷...

针对高转速箔片型气体动压止推轴承的热管理需求,在轴承运行状态稳定、弹性变形恒定的主要假设前提下开展了带冷却空气径向入流的三维流-固耦合数值模拟,以获得旋转速度、径向入流质量流量和气膜层出口方式对气动和热特性的影响。研究结果表明,气膜间隙出口方式对转盘表面压力分布具有明显的影响,相对于气膜间隙出口完全封严情形,无封严出口下径向入流可以贯通气膜层通道,使得转盘和止推顶箔冷却效果得以改善、径向入流压降减小,但同时也带来止推力下降10.7%~32.5%的负面影响;径向入流质量流量的增加不仅可以起到有效的冷却作用,而且对轴承止推力也起到了较好的增强作用;气膜间隙出口封严方式对转盘和止推顶箔冷却效果的影响在高转速下更为显著,对径向入流压降和止推力的影响则在较大的径向入流质量流量下较为明显,止推力增幅...

串列叶片可以突破常规压气机气动负荷的限制,具有良好的工程应用前景。但跨声速串列转子通道内激波系结构复杂,控制难度较大,导致气动效率偏低。为解决上述问题,利用数值模拟的方法对比了串列转子前排在串列和单转子条件下气动参数、流场的变化规律,分析了跨声速串列转子前/后排气动耦合机理,并完成了优化设计。结果表明(1)串列条件下,前排落后角、总压比沿叶高分布规律发生变化,槽道正激波显著增强,是导致跨声速串列转子效率水平低下的根本原因;(2)针对跨声速串列叶型的优化可以实现流场的定制设计,优化后前/后排匹配工作状态及激波结构显著改善;(3)优化后的串列转子失速裕度提升约6%、设计点等熵效率提升约1.5%,证明了本文提出的优化设计思路及方法的有效性。

为分析跨声速转子实时波动的叶顶间隙尺寸对气动性能的影响,对跨声速压气机转子真实运行状态下一个稳定工况实时波动的叶顶间隙数据进行统计分析,获得了叶顶间隙尺寸的总体水平、波动幅值和概率分布形式。以跨声速压气机转子NASA Rotor 37为研究对象,采用非嵌入式混沌多项式不确定性量化方法,对100%转速下近失速和峰值效率两个工况施加相同叶顶间隙波动对跨声速转子气动性能的影响进行了不确定性量化分析。结果表明,真实运行状态下叶顶间隙波动对气动性能的总体水平无影响,但会缩小喘振裕度3.75%;近失速工况对叶顶间隙波动更为敏感,各参数的相对波动幅值均较峰值效率工况有所增大,等熵效率受叶顶间隙波动的影响比质量流量和总压比大;近失速工况下叶顶间隙波动在叶高方向上的影响范围和强度均大于峰值效率工况,98%叶高位置处静压系数...