固体发动机水下点火尾流场计算

为研究固体发动机水下点火初期喷管内燃气泡的流动和发展过程及流场结构,利用CFD方法通过fluent分析软件对固体火箭发动机水下点火过程气液两相流场进行数值模拟计算,得到了发动机尾流场燃气马赫数、压力、温度等瞬态阶段演变情况。结果表明,发动机水下点火时,燃气与水之间产生强烈地相互作用,射流通道沿轴向存在周期性胀缩,一个周期内相继出现膨胀—液体回压—回流—颈缩—继续膨胀现象,随着流场发展涨缩强度逐渐减弱,颈缩位置向下游移动;燃气射流初期,轴向压力最高点在燃气泡头部位置;点火初始时刻喷管出口出现压力峰值;全计算域内温度在一定范围内振荡,沿轴向远离出口区域有剧烈的传热和明显的气液混合。

艉板式与浸没式喷水推进器尾迹脉动压力试验研究

喷水推进器的喷射流尾迹对船舶隐身特性造成不利影响,目前缺乏喷水推进船舶喷射流尾迹的测试方法及特性研究。本研究搭建了喷水推进船舶尾迹脉动压力测试试验台,分别对艉板式与浸没式推进器喷射流尾迹开展脉动压力测试,基于不同测点位置、不同航行状态下的尾迹脉动压力频谱结果,对比了艉板式喷水推进器和浸没式喷水推进器的尾迹频率与振幅特性,并基于HHT方法细致分析了航行状态下的喷射流尾迹发展规律。发现在靠近水面的浅水位置,相较浸没式推进器,艉板式推进器的喷射流入水显著增强尾迹强度和影响范围,而在深水位置,喷射流强度整体差异不大。此外,在航行状态下,由艉板式推进器喷射流引起的波浪强度也明显高于浸没式推进器,结论为浸没式喷水推进技术发展与推广应用奠定了基础。

固体火箭尾流场对舱体冲击效应研究

火箭燃气射流对搭载平台的冲击效应是搭载平台表面防护和结构设计的重要依据。为研究不同射角下高速射流对舱体的冲击效果,基于有限体积法,采用SST k-ω湍流模型,建立固体火箭发射过程的三维仿真物理模型。分别在70°射角和56°射角工况下,对固体火箭发动机喷出的燃气射流进行数值模拟,得到了不同时刻射流的特性以及两射角下舱体上表面受射流影响情况,分析射流对舱体表面的冲击效应。分析结果表明,射流冲出喷管后在空气中膨胀,形成曲面激波。抵达舱体表面后压缩,产生高温高压区,随后温度和压力沿舱体表面流动逐渐降低。舱体表面温度和压力变化趋势相一致,56°射角时舱体表面温度较低,受到的冲击效应更大。

合成射流对串列双圆柱受力特性及流场特性影响的数值模拟

合成射流能够通过改变单个圆柱尾部的旋涡脱落模态有效抑制其涡致振动,但对多圆柱结构的控制效果尚待研究。采用数值模拟研究了对称布置在上游圆柱尾部的水平合成射流对串列双圆柱的受力特性和尾流特性的影响。在研究中,来流的雷诺数恒定为150,合成射流的位置角度为45°,2个圆柱中心之间的间距比为2~10。研究结果表明,水平合成射流能够同时降低上、下游圆柱的升、阻力系数,但过大的合成射流动量系数反而会导致上、下游圆柱的阻力系数均大于无合成射流控制情况下的值。当动量系数为2和4时,上游圆柱的尾迹完全由水平合成射流主导,变得完全对称;但下游圆柱的尾部始终存在交替脱落的旋涡。

不同启动条件下泵喷推进潜艇的瞬态特性研究

为研究泵喷推进潜艇启动过程中的瞬态特性,基于DES(detached-eddy simulation)湍流模型对“泵-艇”一体化模型进行全流域非定常数值模拟,采用线性方式进行启动,分析启动时间对泵喷内部及尾流场的影响机理。结果表明:启动过程中,随转速的增加,流量呈线性增长的态势,推力和轴功率呈指数增长;动静叶栅工作面和背面的压差逐渐增大;高涡量区从叶轮叶片前缘和轮毂表面逐渐扩大至整个流道,进口回流逐渐得到一定程度的遏制,漩涡逐渐出现在各个区域;喷流边界从速度梯度不明显且几乎成轴对称分布形态逐渐演变为显著的局部速度梯度且呈“蜿蜒”特性;尾部流场三维涡从启动初期简单的喷管剪切层涡和呈锥体结构的尾涡逐渐演变为由轴心涡、尾流末端涡以及叶片涡系等组成的复杂涡系系统;随启动时间增加,到达相同转速时动静叶栅内部压力整体呈下降态势;喷流尾迹到达的距离越来越长,“蜿蜒”特性更加明显;各涡系结构越来越清晰,尾涡形态产生更加复杂的非规则变化。

面向中低速船的浸没式喷水推进技术

浸没式喷水推进方式是传统船舶喷水推进技术的新发展。文中针对该类喷水推进型式,从概念出发,系统分析了推进效率、装置与船体的相互影响、推进泵的比转速,首次建立了以船体与推进装置主要参数描述的比转速及喷水推进船进速系数的数学模型,论证其应用的航速与推进泵比转速范围,揭示其高效机理,并通过案例进行验证。该文掌握了装置主要参数随喷速比与转速的变化规律,为浸没式喷水推进装置的发展应用奠定了理论基础。

矢量泵喷推进器尾流场特性及操纵性能研究

为改善潜艇泵喷推进器转子盘面流场的不均匀性,降低潜艇噪声,提高潜艇的隐身性能。设计一种取消尾舵的潜艇矢量泵喷推进器,基于RANS方法对潜艇矢量泵喷推进器水动力性能进行数值计算,对潜艇尾流场特性、矢量泵喷推进器的推进性能和操纵性能进行研究,并与常规泵喷推进器作比较。计算结果显示,潜艇采用矢量泵喷推进器可取消尾舵的布置,降低转子盘面流场不均匀性,整体总阻力降低,推进器收到功率减小,推进效率提高19.9%;在0°~30°操舵舵角范围内,矢量推进器最大偏转力矩大于常规泵喷推进器+尾舵的偏转力矩。在相同的操舵角度下,矢量泵喷推进器偏转力矩大于常规泵喷推进器,说明潜艇安装矢量泵喷推进器可满足航行机动性的要求。这项研究为降低潜艇桨盘面不均匀性,提高潜艇声隐性能提供了新的途径。

离心泵尾流-射流现象及粗糙度对其影响的分析

为减小叶轮内的流动损失,结合计算流体力学、壁面函数法和等效沙粒粗糙度模型,研究了离心泵叶轮流道内的尾流-射流现象及其受粗糙度的影响规律。对比试验和数值模拟结果,确保了所选计算方法和湍流模型(RNG k-ε模型)能够准确反映内流场的变化。研究表明:在叶轮流道内相对速度W的分布存在明显的尾流-射流规律,且吸力边后盖板附近的边界层厚度较大,尾流区主要在吸力边后盖板附近;在叶轮出口处,尾流区则出现在吸力边的前盖板附近。粗糙度对叶轮流道内湍流的影响较大,对压力边和吸力边相对速度的影响相反。粗糙度对内部流动的影响存在一个过渡值,当粗糙度大于此值时,粗糙度对流动的影响与粗糙度小于此值时相反。随着粗糙度的增加,叶轮出口处相对速度波动的振幅增加。

叶片型线及厚度变化规律对离心泵性能的影响

以ZA150-315石油化工离心泵为研究对象,在离心叶轮基本外尺寸和设计转速相同的情况下,以3种不同厚度变化规律的叶片构造C1、C2、C3叶轮,运用FLUENT数值模拟软件,在5种不同工况下分别进行数值模拟计算,得到叶轮流道内部压力和速度分布.数值计算结果表明:在任意工况下叶轮C2的效率比C1、C3的效率都高,且在设计工况下叶轮C2的最高效率比叶轮C1、C3的效率高0.6%、1.02%;3种离心叶轮出口处均存在射流尾迹结构,叶轮C1出口处射流-尾迹结构强度最小,叶轮C2次之,叶轮C3最大.研究表明:叶轮出口处射流-尾迹结构强度随叶片出口厚度的增大而增强;不同流量工况射流-尾迹结构强度也不一样,越偏离设计工况射流-尾迹现象越严重.适当优化叶片出口边的形状可以有效地提高泵的效率和减弱射流-尾迹结构,改善叶轮出口的流动性能.

不同型线离心风机叶轮的性能对比研究

本文分别对采用常规单圆弧叶片和等减速叶片两种不同型线叶轮的离心风机进行了试验研究,并做了整机全工况数值模拟计算.流场分析表明:应用等减速流型设计的离心风机,其叶轮内部的流动损失小,压力梯度变化更规律,叶轮出口的射流-尾迹结构较弱,出口速度场均匀且最大速度值较低.所以,等减速流型设计的叶轮,其流动损失、扩压损失、出口混合损失以及出口截面突变损失均比较小,效率较高.

大宽度无叶扩压器旋转失速特征的数值分析

采用二维方法,预先给定扩压器入口的射流-尾迹分布,忽略边界层的影响,对一具有大宽度无叶扩压器进行了数值模拟;分析了扩压器长度、叶轮叶片数目等因素对失速的影响.计算结果表明:对于宽度不同的扩压器存在不同的失速机理,相关结论和文献结果的比较也证实了该方法的正确性.

叶片开缝的离心风机流场研究

本文提出在离心叶轮轮盖与叶片之间开缝,使得叶片压力面侧的高压气体射流到吸力面侧的低速尾迹区,从而直接给叶轮内的低速流体提供能量,减弱了叶轮内由于二次流所导致的射流-尾迹结构,并可用于消除或解决部分负荷时常发生的离心叶轮积灰问题。对某离心风机整机的数值模拟表明,在设计流量和小流量情况下,叶轮开缝后使叶片表面分离区域减小,整个流道速度分布更为均匀,改善了叶轮内部流场的流动状况,提高了离心叶轮性能和整机性能。研究表明,本方法对于提高离心式流体机械性能是有效的。

离心式叶轮内部湍流及出口“射流尾迹”结构的成因分析

使用压力修正算法及kε湍流模式求解Reynolds时均的NS方程,数值分析了离心式压气机叶轮内部湍流流动及叶轮出口“射流尾迹”结构的形成过程,计算与实验结果的比较表明,二次流对低能流体的输运是形成射流尾迹结构的主要原因。

轮盖开孔的离心风机流场研究

提出的在离心风机轮盖上靠近叶片吸力面处开孔的方法,可利用蜗壳内的高压气体产生射流,从而直接给叶轮内的低速或分离流体提供能量,以减弱由叶轮内二次流所导致的射流-尾迹结构,并可用于消除或解决部分负荷时常发生的离心叶轮的积灰问题.通过对离心风机整机的数值实验发现,轮盖开孔后,在设计点附近的风机压力提高了约2%,全压效率提高了1%以上,小流量时压力提高了1.5%,全压效率提高了2.1%.进一步的流场分析表明,在设计流量和小流量时,由于轮盖开孔形成的射流可以明显改善叶轮出口的分离流动,减小低速区域,降低叶轮出口处的最高速度和速度梯度,从而减弱离心叶轮出口处的射流-尾迹结构.此外,沿叶片表面流动分离区域减小,压力增加更有规律.所提方法可以提高设计流量和小流量下的闭式离心叶轮性能和整机性能,结合其他离心叶轮自适应边界层控制技术,可全面提高离心叶轮的性能.

舰载飞机发动机尾流场数值模拟

为了解舰载机在飞行甲板起飞时发动机尾喷流被喷气偏流板偏转后的流场分布情况,以国外某型舰载机和喷气偏流板为研究对象,采用三维雷诺平均Navier-Stokes方程、k-ε湍流模型和离散坐标模型(DO模型),借助计算流体动力学(CFD)技术对该舰载机起飞时的尾流场进行了三维数值模拟,空间上采用二阶迎风格式进行耦合求解,时间上采用显式Runge-Kutta方法进行迭代推进,直至流场收敛。结果表明:喷气偏流板对尾流场起到了很好的偏转作用,尾喷流对喷气偏流板背部区域的设备和人员几乎没有影响;尾流场中的高温高压气流主要分布在喷气偏流板与喷口之间的区域,在起飞作业过程中,舰面工作人员和设施要避免进入该区域。所得结果从理论上证明了该喷气偏流板的设计方案能满足舰载机起飞的需求。

高速离心叶轮叶片开缝的数值研究

提出在离心叶轮吸力面尾部开缝抽吸的方法,在叶片吸力面尾部对低速流体区域进行抽吸,以减弱由叶轮内二次流所导致的射流—尾迹结构。以Krain高速离心叶轮为例,建立抽吸模型,并进行了数值计算。数值仿真结果表明,在压气机流量范围内,叶轮尾部开缝抽吸可以减少叶片表面的分离区域,改善叶轮内部流场的流动状况,有效地提高离心叶轮性能。

加装短叶片离心叶轮的参数优化及实验研究

利用NUMECA软件对G4-73No.8D型离心风机进行了叶轮内部流场的三维数值模拟和流动分析,发现在叶轮出口处存在着明显的射流-尾流结构。为削弱这一结构对风机性能的不良影响,对风机叶轮进行了加装短叶片的数值模拟,依据叶轮流场的改善情况,确定了短叶片的优化参数,并在此基础上,进行了风机性能的对比性实验。结果表明,改进后的风机全压明显提升,其额定工况下的效率有所提高,高效区有小幅加宽。

低比转数潜水排污泵的内部流场PIV试验研究

针对低比转数潜水排污泵的研究现状进行调研后发现,目前主要的研究手段以数值计算为主,缺乏对其内部流场的可视化试验研究,因此,为揭示低比转数潜水排污泵内部流场的物理结构及流场演化过程,针对一比转数ns=60的潜水排污泵进行结构改造后,以透明的有机玻璃材料代替传统的金属材料,以空心玻璃球作为示踪粒子,进行了不同工况下的二维PIV测试.试验结果表明:在科氏力的作用下,叶片进口吸力面上的相对速度大于压力面上的,而叶片出口则相反;在大流量工况下叶片进口边的速度梯度最大,叶片出口的"射流-尾迹"现象也最为明显;在不同流量工况下,叶片压力面一侧均存在一定脱流现象,该脱流区域随流量的减小向叶片出口方向移动,并逐渐形成一个与叶片旋转方向相反的旋涡;当流量为0.2Qd时,该旋涡位于叶片流道出口中心,并堵塞了大部分流道.

无叶扩压器内的射流-尾迹型扰动分析

假设扩压器内部流动为不可压缩的二维流动,采用小扰动方法建立了无叶扩压器的状态矩阵模型,并利用文献中数据对扩压器进口的射流-尾迹型扰动进行了分析.结果表明:径向速度扰动衰减比切向速度快;径向速度扰动衰减的快慢主要受进口流量的影响,进口相对流动角对其影响不大;叶轮叶片数对扰动衰减也有一定影响,叶片数越多,沿径向的速度扰动和角动量衰减就越快;叶轮和有叶扩压器之间的无叶空间可能是引起压缩机失稳的关键因素.模型分析和已有文献十分吻合,验证了模型的正确性.

水下航行器排放冷却水温度分布特性研究

根据计算流体动力学理论建立了水下航行器排出冷却水形成热尾流的浮升规律的数学模型,采用有限体积法来离散求解三维湍流数学模型,对水下航行器排出热尾流的浮升特性进行了数值计算分析,得到了热尾流轨迹和热尾流温度场分布图像,将热尾流的试验结果与理论数值模拟结果进行比较,验证了模型的正确性。文中建立的水下航行器排放冷却水浮升模型可预测热尾流的温度分布特性和预先估计海面温度场分布状况,为红外探潜提供了理论依据。