基于Damköhler数的支板稳定器贫油熄火分析方法研究

稳定器的贫油熄火边界预测对于燃烧室的设计具有重要意义。本文开展了支板稳定器的贫油熄火试验,得到了来流温度473~623 K,空气流速在60~130 m/s下的贫油熄火边界。通过数值模拟得到燃烧室的反应场和流场分布,分析了近熄火和稳定燃烧工况时Damköhler数的分布特性。结果表明,流动时间尺度在不同燃油流量下变化不大,化学时间尺度随燃油流量的降低而增大,在近熄火时,Damköhler数大于1的区域为两条明显的带状分布,仅在剪切层保持较高水平,回流区难以加热剪切层的新鲜混气,导致最终熄火;基于CO质量分数确定的关键反应区与实际火焰具有较好的一致性。不同熄火工况下反应区内的平均Damköhler数在1左右波动,最大误差22%,证明基于Damköhler数的贫油熄火分析方法能够揭示贫熄特征,为解决实际熄火预测提供基础。

冲压发动机燃烧室超声速来流横向喷雾轨迹预测模型及动态特性分析研究

为探究超声速来流下圆柱横向射流轨迹及喷雾动态特性,在宽来流马赫数(Ma=1.50,2.02,3.09)条件下开展了不同喷嘴直径与喷注压力的煤油喷雾试验,通过纹影系统捕捉射流图像并进行外边界拟合与频谱分析。建立了考虑射流前激波效应的穿透深度预测模型,最大与平均相对误差较先前的预测模型分别下降约36%和19.1%。通过快速傅里叶变换分析,发现喷雾所受扰动以低频波为主,同时伴有时间特征较为复杂的波动。本征正交分解分析结果证明,喷雾表面同时存在高低频扰动,但低频波占据主导地位,高频波能量较低可被忽略,对应了快速傅里叶变换分析结果;低频波频率与来流有效韦伯数有关,有效韦伯数增大会使波长减小,当喷雾前端的来流速度差别较小时,频率就会增大。

基于NSGA-Ⅱ算法的ATR发动机PI控制器多目标优化方法研究

为了使空气涡轮火箭发动机(ATR)从慢车快速、稳定和准确地加速到最大状态,以ATR发动机燃气发生器流量和尾喷管喉部面积为控制变量,采用快速非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ算法)建立了发动机控制器参数多目标优化方法。将超调量、稳态误差、上升时间及误差积分值四个指标以加权的形式作为目标函数,引入执行机构超调惩罚机制,建立了PI控制器参数Pareto最优解集,完成了ATR发动机从慢车加速到最大状态的动态过程仿真。结果表明,将双回路多个控制性能指标以加权的形式组合作为目标函数,可以获得均匀分布的Pareto前沿;联合应用多目标优化方法和基于熵权法的优劣解距离法(TOPSIS),能够在双回路耦合下获得满足设计要求的ATR发动机动态特性,极大地缩短了人工整定控制器参数的时间;在加速过程中,多目标优化方法将涡轮膨胀比上升时间作为目标函数之一,与尾喷管面积开环控制动态过程相比,可以使涡轮膨胀比更早到达目标值,共同工作线远离喘振边界。

空气涡轮火箭发动机燃烧室异形尾缘波瓣混合器掺混、燃烧特性研究

为了促进空气涡轮火箭发动机(ATR)燃烧室内涵富燃燃气与外涵空气之间的掺混,提高燃烧室燃烧效率,本文通过对波瓣进行尾缘修形设计,探究C形尾缘结构对波瓣下游流动及燃烧特性的影响规律。研究发现:(1)在波瓣混合器尾缘增加C形结构,会诱导产生多源副涡结构;(2)径向高度越高,径向速度梯度越大,造成副流向涡和副展向涡的强度和尺度越大;(3)由于受到C形尾缘结构诱导的副流向涡和副展向涡的影响,燃烧室展向截面温度分布出现“串状”局部高温区,燃烧得到强化;(4)当燃烧室距离与波瓣直径<1时,内、外涵气流掺混强烈,热混合效率、燃烧效率以及总压损失迅速增大;(5) C形尾缘结构数量与燃烧效率不成单调递增关系,当C形结构数量≤2时,副涡强化掺混起主导作用,燃烧效率随着副涡量的增大而增大;当C形结构数量≥3时,出口面积增大导致的涡量衰减起主导作用,燃烧效率随着副涡量的增大而减小。

亚声速可压缩流场叶片边界层热线测速方法研究

为了能够开发一种简单有效的亚声速可压缩流场叶片边界层速度测量方法,从而为叶型设计和相关数值研究工作提供支撑,本文围绕热线风速测量技术,针对可压缩流场密度变化对热线标定结果的影响,以及实际测量中速度、密度耦合而无法直接获取的问题,通过理论分析,提出了适用于边界层测量的恒定压力热线标定方法和引入叶表稳态静压进行速度解耦的方法,并对所提出方法的主要误差进行了分析评估。在此基础上进行了热线标定和边界层速度测量试验验证,明确了恒定压力热线标定数学模型系数随压力的线性变化规律,同时针对温度非线性影响提出了一种基于过热比调整的修正方法,该方法能够将约13℃的温度偏差对热线电压的影响降低到1%以内,进一步简化了恒定压力热线标定流程,结合基于叶表稳态静压的速度解耦方法,为亚声速可压缩流场叶片边界层瞬态速度测量提供了一种简单可行的高频响测速方法。

受限空间内气动雾化效果影响因素

旋流杯气动雾化喷嘴旋向及其下游受限空间会影响喷嘴下游大尺度涡的形态、大小及位置,从而影响燃油液滴在空间中的分布。针对气动雾化喷嘴下游液滴分布不均匀的问题,采用试验与数值模拟相结合的方法研究了气动雾化喷嘴下游受限空间及旋流器旋向组合对燃油液滴粒径的影响。结果表明:采用2级反向旋流方案的气动雾化喷嘴在下游受限空间内产生的大尺度回流对涡对液滴的卷吸、汇聚能力更强,测得的液滴索太尔平均直径(SMD)大于2级同向旋流方案液滴SMD,最大值达到26μm;气动雾化喷嘴下游空间径向直径由133 mm增加到173 mm,回流对涡从1对增加为2对,液滴沿轴向向上游汇聚的程度增加,直径为173 mm受限空间内测得的液滴SMD相比于直径为133 mm空间内液滴SMD,随供油压力的不同增大3~5μm;测量位置与大尺度涡结构距离越近,大尺度涡对周围液滴卷吸、汇聚作用越强,测量位置液滴SMD越大。

高弹性刷式密封刷丝轴向变形规律流固耦合研究

为探究刷丝弹性模量对刷式密封轴向变形影响规律,基于任意拉格朗日-欧拉(Arbitrary Lagrange-Euler,ALE)显式动力学流固耦合方法,计算对比了新型高弹性材料刷丝SOFN和传统材料刷丝GH605在相同的刷式密封结构下、不同压差下的泄漏特性、轴向总体变形、刷丝自由端轴向变形与扰动以及不同弹性模量的理想刷丝轴向变形规律。得出结论:在不同压差下刷丝材料为SOFN的刷式密封和材料为GH605的刷封的泄漏量基本一致;在高压差条件下,GH605前排刷丝出现逆轴向大变形导致刷丝分离引起密封失效;SOFN刷丝比GH605刷丝有更小的轴向弯曲变形与轴向扰动,在0.2 MPa,0.4 MPa,0.6 MPa压降下轴向变形量最大降低了3.5%,2.7%和2%;轴向扰动量最大降低了37%,24%和32%。存在一个最佳的弹性模量范围,使刷丝的变形量最小。验证了SOFN刷丝有更高的承压能力,有效提高刷式密封性能。

刷衬-篦齿密封泄漏流动特性数值模拟研究

为进一步提高空气涡轮火箭发动机(Air-Turbo Rocket Engine,ATR)在高封严压差下的密封性能,同时避免接触式刷式密封摩擦升热问题,建立了刷衬-篦齿密封结构和数值模型,在已有刷束泄漏流动实验数据验证模型准确性的基础上,计算了刷衬-篦齿密封不同结构参数下的流场、压力分布和泄漏流量,分析了刷衬-篦齿密封各主要结构参数对密封性能的影响,结合参数与泄漏流量之间的关系,改进了刷衬-篦齿密封的结构。结果表明,刷衬-篦齿密封泄漏的主要来源为篦齿与刷束之间间隙的“透气效应”,减小篦齿与刷衬之间的间隙、刷丝直径、刷丝自由高度可不同程度地减小泄漏率;而减少齿数、刷束厚度、齿顶宽度、篦齿间距、刷束密度等参数则导致泄漏的增加,其中篦齿与刷衬之间零间隙泄漏率约为间隙0.3 mm时的23%;改进后的刷衬-篦齿密封泄漏率较原刷衬-篦齿密封低8.9%,密封性能得到进一步改善。

预混煤油/空气两相旋转爆轰传播特性数值研究

为研究预混煤油/空气两相旋转爆轰波的传播特性,以煤油蒸气/液滴为燃料,空气为氧化剂,开展了二维旋转爆轰过程的数值模拟计算,研究了气态燃料当量比和液滴直径对气液两相旋转爆轰过程中流场结构、胞格形状和数目、爆轰分数以及传播速度等特征的影响。结果表明:较高的气态燃料当量比和较小的液滴直径有利于旋转爆轰波的成功传播。气态燃料当量比为0.83时,可起爆的液滴直径增大至40μm。研究发现,爆轰波成功起爆的前提下,提高气态燃料当量比或减小液滴直径均利于胞格数目的增多和平均尺寸的减小,胞格数目为5.0~6.7,低于5.0爆轰波将无法维持传播;燃料的爆轰分数与气态燃料当量比和液滴直径有关,提高气态燃料当量比或减小液滴直径均促进燃料的爆轰分数以及爆轰波传播速度的提高,爆轰分数最高可达94.9%,爆轰波的传播速度为1 638.34~1 777.62 m/s,速度亏损在13%以内。

跨音速风扇转子冰撞击损伤规律及抗冰 撞击改进设计研究

目的揭示脱落冰形状、运动轨迹和姿态对航空发动机风扇转子叶片的撞击损伤规律,增强叶片的抗冰撞击能力。方法采用LS-DYNA进行数值模拟,开展脱落冰与叶片的撞击过程和叶型改进设计研究。结果叶片的撞击损伤程度受脱落冰结构强度的影响,在同样的撞击条件下,叶片受球体冰撞击损伤最严重,而受片体冰撞击损伤最轻。叶片的损伤程度由叶片和脱落冰之间的相对速度和叶片切割冰块的质量共同决定,叶片切割脱落冰的质量越大,塑性变形越严重。当脱落冰入射角为45°时,叶片损伤最严重,对叶片的最大撞击力为17828 N,最大内能达到126 J;当冰片从原始姿态绕y轴旋转90°时,对叶片前缘的撞击载荷最大,叶片塑性变形最严重。改进后,叶片受沿45°入射角脱落冰撞击后最大内能减小16%,失速裕度提高16.2%,峰值效率提高0.33%。结论跨音速风扇转子撞击损伤位置在前缘附近,增大叶片进口几何角和局部厚度能显著提高叶片抗冰撞击能力。

CCMT2024刀具展品述评——行业切削加工刀具解决方案

切削加工整体解决方案是以切削加工工艺为基础,结合机床、刀具、夹具、量具、自动化等工艺装备,实现零件从原材料、半成品进行加工或处理,最终使之成为成品的方法与过程。本文主要从刀具角度介绍行业零部件切削加工刀具解决方案。CCMT2024展会展商展出的零件切削加工刀具解决方案种类繁多,分布于汽车工业、航空航天、轨道交通、医疗器械、能源和3C等行业。下面介绍部分展商展出的切削加工刀具解决方案.

跨音速风扇叶片高低转速下混合相积冰的对比研究

目的获得跨音速风扇转子叶片高、低转速下混合相积冰的影响规律。方法使用CFX获取风扇叶片空气流场数据,采用FENSAP-ICE获取积冰冰形,通过过冷水滴与冰晶温度、撞击叶片角度等进行混合相积冰高、低转速冰形分析。结果风扇叶片高、低转速运转时,过冷水滴与冰晶的运动状态变化相对明显。高转速时,流场内的气流为跨音速流动,过冷水滴与冰晶撞击角度相差较大,撞击角度较大的叶根区域更容易收集过冷水滴与冰晶;低转速时,过冷水滴和冰晶与叶片的撞击角度大部分区域低于10°,使过冷水滴与冰晶碰撞到叶片后的捕获难度提升。风扇叶片高、低转速运转时,叶身的温度差异使过冷水滴在低转速下易直接凝结,未凝结的水膜量极少,而冰晶表面未形成水膜,不易被捕获,使得最终的积冰主要为过冷水滴积冰。结论风扇叶片混合相积冰在高转速时,流道内温度升高更快,水膜不易凝结,冰晶表面易融化,促进了冰晶积冰。

高负荷跨声速涡轮转子叶顶激波系结构及其对热流分布影响的数值研究

叶顶泄漏流动会增强叶顶换热,为防止高负荷跨声速转子叶顶烧蚀,本文采用数值方法研究了某高负荷跨声速转子叶顶激波系结构及其对叶顶热流分布的影响,为跨声速转子叶顶的冷却设计提供参考。结果表明:在叶顶间隙压力侧出现分离泡,高马赫数气流流经分离泡后的折转产生了较强斜激波,该斜激波干涉导致机匣边界层出现分离,分离泡上下游的两个折转产生了两条反射激波。受两条反射激波影响,叶顶边界层增厚导致叶顶出现两道紧密的低热流条带;沿着流动方向,分离泡下游激波强度逐渐增大导致机匣边界层分离程度加剧,边界层分离产生的前后折转程度随之增大,导致两条反射激波强度增大,引起叶顶条带热流进一步降低。当涡轮级膨胀比大于2.0时,受超音堵塞影响,亚声速区域的马赫数基本不受膨胀比变化的影响,叶顶热流分布也基本不变;在超声速区域,随着膨胀比的减小,叶顶间隙内斜激波先出现强度增大,再转为正激波的现象,以实现逐渐升高的静压升,叶顶条带热流随之出现先减小后增大的现象。当涡轮级膨胀比降低至1.5时,叶顶间隙内激波结构完全消失,叶顶受分离再附着影响,呈现出较高热流分布。

进口热斑径向作用位置对无导叶对转涡轮高压级温度场的影响

为了探究无导叶对转涡轮进口热斑径向作用位置的变化对其高压级温度场的影响,运用CFD方法对某无导叶对转涡轮模型级的流场进行了三维非定常多叶片排的数值模拟.结果表明,热斑流体在高压导叶中未发生周向和展向迁移;进口热斑径向作用位置的差异直接影响到热斑流体通过涡轮叶片时的温度耗散度;进口热斑径向作用位置的变化对高压动叶中控制热斑迁移的冷热气流掺混效应、通道二次流和浮力三种因素的作用效果产生了一定程度的影响.

涡轮转速对无导叶对转涡轮流动特性的影响

为了探究无导叶对转涡轮在不同涡轮转速下的流动特性,运用CFD方法对某无导叶对转涡轮模型级的流场进行了三维定常多叶片排的数值模拟。结果表明,涡轮转速的变化对无导叶对转涡轮的喉部位置基本没有影响;随涡轮转速的升高,高压动叶内的激波损失增大,低压动叶内的激波损失减小,源生于低压动叶吸力面上的激波沿吸力面向尾缘移动;对于远离设计点的非设计工况,流动分离损失及低压动叶中的激波损失构成了对转涡轮损失中的主体;涡轮转速的变化对高低压动叶出口气流角及高压动叶出口马赫数的影响作用较大;高低压涡轮出功比、对转涡轮的总功率及等熵效率均随涡轮转速的增大而增大。

无导叶对转涡轮三维流场数值分析

为了揭示1＋1/2（无低压导叶）对转涡轮流场的流动规律,运用全三维粘性流场计算程序对某对转涡轮模型级的流场进行了数值模拟.结果表明,对转涡轮各方面性能基本达到了设计目标,说明高压动叶采用收扩型叶栅通道且整个涡轮子午流道也采用收扩结构的设计可以获得满意性能;三排叶片（尤其是高压动叶）仍有改进余地,即涡轮效率还有进一步提升的潜力;高压动叶出口沿整个叶高均为超声速,出口马赫数节距平均值在1.4～1.6之间;高压动叶尾缘斜激波强度以中展为中心向两侧递减;涡轮性能随出口背压的增加而下降;涡轮出口背压的变化对高压转子性能基本没有影响,但对低压转子性能的影响较大.

无导叶对转涡轮三维流场的非定常数值模拟

为了揭示1+1／2(无低压导叶)对转涡轮流场的非定常流动特性,运用全三维粘性流场计算程序对某1+1／2对转涡轮模型级的流场进行了非定常数值模拟。结果表明,非定常计算可以获得比定常计算更为丰富的流场信息;非定常效应具有逐级累积的趋势;高压导叶压力面叶表静压展向分布比吸力面均匀;高低压动叶压力面和吸力面叶表静压的展向分布不均匀;高压动叶的负荷随叶高的增加而增大;高低压动叶出口气流角沿整个叶展均较大地偏离轴向,说明高低压涡轮的功负荷较高,在出功量上达到了设计目标。

水平管段塞流压力/压差波动特性分析

本文在对水平管段塞流压力波动特性进行理论分析的基础之上,对其压力/压差波动特性进行了试验研究。结果表明,折算液速对段塞频率的影响作用远大于折算气速的影响作用;分别增加管线中的气量、液量,或者气液量同时增加,均会造成管线运行过程中均值压力/压差和最大压力/压差的增加;压力信号的概率密度分布大部分呈双峰分布,但其中也存在单峰和多峰分布;压差信号的概率密度符合正态分布;压力信号的功率谱密度具有频率波动范围窄、幅值大的特点;与同工况压力信号的功率谱密度相比,压差信号的功率谱密度具有频率波动范围宽、幅值小的特点。

无导叶对转涡轮进口热斑迁移特性分析

为了揭示1+1／2(无低压导叶)对转涡轮进口热斑的迁移特性,运用三维非定常粘性流场计算程序对某1+1／2对转涡轮模型级在不同进口温度分布条件下的流场进行了数值模拟。结果表明,热斑在高压导叶中未发生周向和展向迁移;当进口热斑位于高压导叶流道中间时,高压动叶的热负荷加重;当进口热斑正对高压导叶前缘时,与进口热斑位于高压导叶流道中间方案相比,加重了高压导叶热负荷,但减轻了高压动叶热负荷;综合比较来看,进口热斑正对高压导叶前缘对涡轮冷却设计有利;冷热流体间的滑移速度、二次流效应和浮力效应是影响热斑迁移特性的主要因素;热斑在动叶中的迁移方向主要与冷热流体间滑移速度的方向有关,而与进口热斑相对第一级导叶的位置无关;在高压动叶中,二次流和浮力的作用效果均很明显;在低压动叶中,流体的迁移扩散行为主要受二次流控制,浮力基本不起作用。

水平管段塞流液塞长度分布试验研究

在内径为50mm的水平管中,对空气、水段塞流下的液塞长度分布进行了试验研究。试验结果表明,该流态下的液塞长度呈对数正态分布,平均液塞长度与气液相混合速度具有典型的二次多项式关系。当折算液速较小时,反映液塞长度波动长程相关性的Hurst指数与气液相混合速度具有递增的线性关系,液塞长度分布遵循分形统计规律。