附面层吸入条件下非轴对称静子对风扇流场影响数值研究

附面层吸入导致进气道与风扇气动交界面处产生严重的总压、旋流畸变,进而使得风扇效率、稳定性降低,是制约其应用的主要问题之一。为了提高风扇的抗畸变能力,本文对风扇静子进行了非轴对称设计和数值仿真计算。结果表明:相较于原型风扇,非轴对称静子效率提高0.31个百分点,失速裕度提高50.5%,风扇内部流场有明显改善,扩压因子减小,畸变区静叶叶尖吸力面角区分离范围显著降低,叶片通道通流能力上升。非轴对称静子改型方案通过改变畸变区静叶进口几何角与弦长,使静叶冲角基本不变,稠度增加,气流在吸力面上不易发生分离,从而使得角区分离范围减小,流动损失降低,风扇性能提升。

反应性气膜对喷管附面层损失的影响

针对二维轴对称喷管,数值模拟研究了氢气和正癸烷两种反应性气膜对喷管附面层损失的影响,分析对比了喷注比为0%、0.47%、1.07%、1.42%以及氢气、正癸烷两种不同喷注物质下喷管附面层损失变化规律。结果表明,与无喷注的情况相比,壁面喷注形成的反应性气膜显著降低了喷管壁面温度;当喷注比从0%增加到1.42%时,氢气反应性气膜使得喷管扩张段壁面平均温度降低了2648.3 K,而正癸烷反应性气膜使得喷管扩张段壁面平均温度降低了1875.9 K;喷注物质为正癸烷不利于降低喷管附面层损失,正癸烷反应性气膜使得喷管附面层损失增加了504.3%;而喷注物质为氢气更有利于降低喷管附面层损失,反应性气膜使得喷管附面层损失降低了38.8%。研究表明,氢气反应性气膜对喷管的热防护和附面层减阻综合性能提升更有利。

基于液晶空间光调制器的附面层效应模拟

为了给航空动平台激光通信的附面层效应校正系统提供验证条件,设计了一种基于液晶空间光调制器来模拟附面层效应的模拟器。首先,从几何光学的角度分析附面层效应,将其等效为负透镜。然后,利用计算机对不同飞行条件下附面层效应与等效负透镜焦距之间的关系进行数值分析仿真。之后在液晶空间光调制器上导入不同焦距透镜的相位灰度图以实现变焦透镜的功能,通过改变变焦透镜的焦距来模拟航空平台不同飞行条件下的附面层效应。最后通过实验验证模拟的准确性,在环境温度下,模拟附面层效应的液晶空间光调制器得到的光斑图像由红外相机拍摄,之后进行图像处理分析实际光斑大小,并与理论计算光斑大小比较,得出误差曲线图。研究结果显示,基于液晶空间光调制器模拟附面层效应引起散斑效应的理论光斑大小与实际光斑大小的均方根误差为0.04375,验证了所提出的方法的可行性和有效性。

基于叶片表面附面层分析的风扇性能研究

为了提高轴流散热风扇效率,本文应用孤立翼型设计法,将高升阻比翼型CAP-12应用到轴流风扇的设计,设计出一款轴流风扇,并对设计出的轴流风扇进行了数值模拟研究,基于附面层理论,分析了风扇的静特性、内部流场与气动特性。计算结果表明:在叶片吸力面叶尖靠近尾缘处会产生有限叶高的诱导旋涡,是导致风扇性能效率降低的主要原因,在对轴流风扇进行结构优化时,应着重考虑该区域,该研究结果可为轴流风扇的性能优化设计提供理论基础。

附面层变化规律及影响分析

进气道附面层是由于气流的黏性作用,在表面形成具有一定梯度的低速区,其中贴近壁面位置基本处于滞止状态。低速区的存在影响进气道流通面积,同时对进气道总压恢复系数、进气流量测量及整机性能造成一定影响;随着飞机飞行姿态多样化及飞行包线不断扩展,进气道附面层的存在降低发动机喘振裕度,严重时影响飞行安全。本文通过研究对附面层不同方式的测量方法,分析附面层速度分布及附面层厚度变化规律,通过计算得出对压缩部件的影响,进而评估对发动机整体性能影响。

进口附面层对串列叶栅气动性能的影响研究

为探究进口附面层对串列叶栅气动性能的影响,以高亚声速压气机常规叶栅及其改型串列叶栅为研究对象,基于数值方法对比分析了不同进口附面层厚度对两叶栅的总体性能及三维角区分离的影响。结果表明:随着进口附面层厚度增加,原型叶栅三维角区分离范围沿展向逐渐增大,而串列叶栅三维角区分离范围的增加主要体现在周向。由于进口附面层的存在,串列叶栅前后叶片之间的缝隙射流与近端壁低能流体的相互作用所产生的通道涡、诱导涡及角涡是总压损失增大的主要原因。串列叶栅与原型叶栅相比能有效降低总压损失和提高静压升,然而附面层厚度的增加会减小这一优势;进口附面层厚度相对叶高的比值为0%,5%,12.5%时,串列叶栅的出口总压损失系数较原型叶栅分别降低11.1%,5.5%和4.1%,静压升系数分别提高7.4%,6.5%和6.4%。

附面层位移厚度对沙障防风效益评价的适用性研究——以聚乳酸(PLA)沙障为例

地表粗糙度作为风蚀防护中常用的传统指标,在防护林、沙障等工程措施的防护效益评价中发挥了重要作用。但在实际应用中发现,地表粗糙度存在不完全准确的现象。针对这一问题,引入新的参考指标附面层位移厚度,借助风洞模拟实验的方法,通过测定不同边长聚乳酸沙袋沙障中的风速频数、拟合风速流场、计算防风效能等来验证地表粗糙度和附面层位移厚度这2个指标的准确性。结果表明:随着聚乳酸沙袋沙障障格边长的增大,平均风速呈现出上升的趋势,其中障格边长为1.5 m和2.0 m沙障内的平均风速分别是1.0 m沙障的1.13和1.24倍;防风效能则呈现出下降的趋势,其中障格边长为1.0 m沙障内各处均大于0.6,1.5 m沙障内各处均大于0.5,2.0 m沙障内各处均大于0.4;风速流场高速区的面积呈现出增大的趋势。这表明随着沙障障格边长的增大,沙障的防护作用逐渐下降。与此同时,随着沙障障格边长的增大,附面层位移厚度呈现出减小的趋势,而地表粗糙度则呈现出先减小后增大的趋势。综上,附面层位移厚度在评价沙障防护作用时的准确性更高,可作为新的补充参考指标。

基于表面热膜测试的低速风扇附面层流动研究

压气机转子叶片表面附面层分离/再附、转捩机制较为复杂,数值模拟方法受到了极大的限制,因此需要新的试验技术测量旋转状态下转子叶片表面附面层的发展状态。本文采用表面热膜测试技术对某风扇叶片表面附面层分离/再附、转捩等流动现象进行了试验研究,获得了旋转状态下风扇叶片表面的准壁面剪切应力。试验结果表明,在上游尾迹周期性扫掠的作用下,叶片表面附面层转捩、再附点提前,分离泡范围减小。表面热膜测试技术可较为准确地捕捉旋转叶片表面附面层的转捩、再附点,为旋转状态下转子表面附面层的流动测量提供了一种解决途径。

端壁造型与附面层抽吸耦合流动控制对压气机叶栅的性能影响

为改善轴流压气机性能,抑制角区分离,采用数值模拟方法探究端壁造型(PEW)与附面层抽吸(BLS)两种流动控制措施在不同工况下对高负荷压气机叶栅的气动性能影响。使用神经网络作为代理模型,采用多目标遗传算法进行全局寻优,选取得到的5种最优端壁造型结构,与3种不同弦长位置的抽吸缝进行组合。结果表明:兼顾设计工况及近失速工况叶栅气动性能,采用吸力面70%弦长位置抽吸与通道前中部下凹、近压力面上凸的造型组合最优。设计工况下,附面层抽吸抑制了弦长中部转捩泡的生成,有效降低了尾迹损失,此时最优组合减小了12.7%的总压损失。近失速工况下,端壁造型通过控制端区横向二次流,缓解堵塞,抑制了角区分离进而降低尾迹损失,此时最优组合减小了15.5%的总压损失。

叶型附面层分离流动控制技术研究进展

叶型附面层分离流动控制技术,通过流动控制方法减小和控制叶片吸力面附面层的分离气流和低能流团,提高压气机或涡轮的效率和工作稳定性。主要介绍了国外研发的涡流发生器、射流注入、附面层抽吸、叶片附面层转捩控制和等离子体气动激励等流动控制技术的特点、作用机理和实验验证结果,以及国内在叶型附面层分离流动控制技术方面的研究进展。

低雷诺数下前缘形状耦合压力梯度调控附面层机理研究

为深入了解低雷诺数下增压级正交叶片叶型表面的流动特性,发展高效的附面层调控策略,以高负荷增压级正交叶片某一截面处的叶型为研究对象,通过高精度参数化方法对该叶型进行改型设计。利用数值模拟手段,研究了低Re(Re=1.0×105)下层流分离及转捩对不同叶型的响应特性,阐明了前缘形状及叶片压力梯度对典型增压级叶型附面层发展的调控机制。结果表明:前缘压力尖峰和前加载压力梯度分布均能够有效抑制低Re下分离泡发展,消弱近壁区回流强度,将设计工况点叶型损失分别降低12.4%和12.5%,同时拓宽了低损失攻角范围;前缘压力尖峰耦合前加载压力梯度分布同时继承了上述优点,能够更大限度地提升低雷诺数下叶型的气动性能。相比于原始叶型,设计工况点叶型损失降低18.9%。该研究结果为低Re下增压级叶型的气动设计和流动调控提供有益借鉴。

基于数值模拟的流场附面层边缘识别方法

附面层边缘通常取在速度达到主流速度0.99倍的位置,而复杂流场中主流流动往往并不均匀,给附面层边缘的准确识别造成了困难。为解决此问题,提出了用"参考主流"代替实际主流识别附面层边缘的方法:通过零剪切力滑移壁面边界条件下数值模拟得到不受附面层干扰的参考主流,在根据附面层定义确定附面层边缘时以该参考主流中的速度代替实际的主流速度。通过斜楔压缩和弯曲压缩两个超声速压缩流场对该识别方法进行了验证,所得到的斜楔压缩出口截面上附面层厚度与采用实际主流速度判断得到的厚度相对误差仅4.1%。根据该方法的识别结果对弯曲压缩型面设计进行附面层修正后,弯曲激波高度与无黏设计值之间的误差从修正前的2.0%降低至0.3%,压缩面末端压力的相对误差从修正前的6.6%降低至2.3%。该方法避免了指定主流速度的主观性,识别结果较为准确。

新疆阿勒泰地区季节冻土路基温度场附面层参数研究

为了研究新疆阿勒泰地区的附面层参数,基于第二类和第三类混合边界条件,综合考虑太阳辐射、路面辐射、对流换热和蒸发耗热等因素的影响,运用数值模拟软件建立该地区季节冻土路基温度场模型,研究了新疆阿勒泰地区季节冻土路基温度场附面层参数及温度函数。研究结果表明:新疆阿勒泰地区天然地面的附面层厚度为0.4m,附面层底温度初始值为9.61℃,振幅为14.56℃;沥青面层附面层厚度为0.45m,附面层底温度初始值为10.85℃,振幅为16.43℃;混凝土面层附面层厚度为0.45m,附面层底温度初始值为9.46℃,振幅为16.39℃。

来流附面层对吸附式压气机叶栅影响的数值研究

数值研究低速条件下来流附面层特性对吸附式压气机叶栅气动性能的影响,在不同正冲角时,设计不同方案的附面层厚度分布,对比分析叶栅出口气动参数的分布以及叶栅内的三维流场结构,讨论不同来流附面层情况下在压气机叶栅中采用附面层吸除的效果。结果表明,数值模拟结果与试验数据有较好的一致性;附面层厚度的增加导致角区流动三维性增强,且变冲角性能下降,二次流横向作用和角区范围的增加使得附面层抽吸效果减弱;当来流附面层厚度增加时,通过增加抽吸量可以有效降低强吸附式压气机叶栅的损失,变冲角性能得到改善。

抽吸角度对高负荷、跨音速叶表附面层抽吸效应研究

以某跨音速高负荷压气机叶栅为研究对象,在其吸力面激波投射点下游40%弦长处设计了3种形式的抽吸孔,即顺流45°、逆流45°和垂直抽吸孔。应用数值模拟手段探索其来流超音速时合理的抽吸孔形式和抽吸方案,获取不同抽吸方案时叶栅性能以及流场细节,寻求叶栅性能与抽吸参数的最佳匹配。结果表明在该位置进行抽吸时,抽吸量是决定叶栅性能的主要参数,3种抽吸孔都表现为:①在抽吸量从0.1%到1.2%主流流量的增加过程中,相对于0.1%抽吸工况,叶栅出口马赫数降低17.5%、总压恢复系数提高5.5%、静压升提高8.6%、叶片负荷降低7.5%,但抽吸孔之前负荷增加,叶片负荷前移;②抽吸使得叶片表面激波投射点向下游飘移,激波强度略有增加,但使得其后附面层分离减弱,降低了叶栅损失;③抽吸使得叶栅出口流动更为均匀,尾迹亏损区减小。计算结果还显示3种孔表现出不同的抽吸性能,具体表现为:①随着抽吸量增加,其流量系数增加,但相同抽吸量时逆流45°抽吸孔流量系数始终大于顺流45°以及垂直孔;②顺流条件下,在抽吸孔入口的背风区形成较强漩涡,增加了孔内流动损失,降低了孔的有效流通面积;③随着抽吸角度从顺流45°向逆流45°变化,抽吸孔入口背风区漩涡逐渐消失,增强了其流通能力,降低了孔内流动损失。

动叶周向前弯对附面层的影响

本文利用计及旋转和曲率、沿弦长压力梯度影响的三维附面层积分方法 ,对前弯动叶片和直动叶片在变工况下的气动性能进行了模拟、比较和分析。得出了叶片周向前弯后 ,叶顶部分的附面层减薄 ,二次流损失减小的结论 ,与实验结果吻合 ;验证了前弯叶片相对直叶片提高效率、扩大稳定工作范围的实验结果。

附面层吸除对大转角压气机叶栅气动性能影响的数值研究

数值模拟了低速条件下附面层吸除对某大转角压气机叶栅气动性能的影响。结果表明,叶栅进口马赫数一定时,小吸气量下存在使叶栅总压损失降低最大的最佳吸气位置,大吸气量时吸气位置对损失影响减弱;随吸气量增加,吸力面角区低能流体积聚明显减小,气流折转能力加强,叶栅负荷增加,总压损失降低最高达28.2%;吸气导致的栅内扩压能力恢复和通道涡三维分离效应是确定最佳吸气位置及吸气量的判定原则。

采用附面层抽吸(BLS)控制流动分离的数值模拟

采用数值模拟的方法,研究了附面层抽吸(BLS)对两种具有不同分离特征的叶栅流场的气动影响。通过比较抽吸前后极限流线谱和叶栅损失的变化,对抽吸前后的流场进行定性分析。结果表明,采用附面层抽吸技术可以明显改善大转角、大分离叶栅的气动性能。其中,对以闭式分离为主要特征的叶栅流场,其最佳抽吸位置为主分离区的起始位置,即鞍点附近;对以开式分离为主要特征的叶栅流场,其最佳抽吸位置位于主分离区的上游。

附面层吸除对压气机叶栅稠度特性影响

数值模拟了不同稠度下吸气量及位置对某大转角吸气式压气机叶栅气动性能影响。结果表明,附面层吸除(BLS)使得吸力面角区低能流体积聚减弱,气流折转能力加强;随稠度增加,叶栅总压损失最高降低分别为32.9％、27.7％和25.1％,出口气流角最大增加值为5.0°、4.2°和3.1°,即小稠度叶栅具有较佳气动性能;BLS导致的栅内扩压能力恢复和通道涡三维分离效应的改善应是确定最佳设计参数的判定原则。吸气式叶栅附面层承受逆压梯度能力强的特点为高负荷、小稠度压气机设计提供了极具潜力的技术途径。

超声速压气机转子叶片吸力面抽气抑制附面层分离的机理

针对压气机叶片在高负荷及非设计工况下经常出现的附面层分离状况,采用数值方法研究了叶片吸力面不同位置、不同吸气量时附面层抽吸对压气机转子气动性能的影响.数值结果表明:抽吸位置对抽吸效果有重要的影响,通过在分离区下游一定位置处抽吸,能够很好的抑制附面层分离,改善气流在大分离点处的剧烈变化,减少流动损失,使得级效率和压比均有显著的提高;而在分离区上游或者分离区下游的较远处开缝抽吸,则效果不理想.吸气量对抽吸效果也有一定影响,存在一个最佳吸气量,吸气量过大或者过小都会对结果产生不利影响.