高亚声速下附面层抽吸控制压气机叶栅流动分离的研究

为研究高亚声速下附面层抽吸参数对流动分离控制的效果和机理,以高负荷扩压叶栅为研究对象,通过数值方法研究了抽吸布局和抽吸流量对叶栅内部流动分离控制效果的影响。结果表明,附面层抽吸能够显著改善叶栅内部流动,降低因附面层分离和端区角区分离、相互掺混造成的流动损失;高亚声速下附面层抽吸的最佳位置在附面层充分发展区域而非分离起始点附近;1.32%抽吸流量下,在叶片吸力面距离尾缘34%弦长处进行附面层抽吸的效果最佳,叶栅总损失降低54.03%;各抽吸槽因抽吸强度的降低使组合抽吸对于进一步改善流动效果并不明显;抽吸流量与抽吸效果呈正相关的关系,但是高亚声速下通过附面层抽吸无法完全消除高负荷叶栅内部角区分离。

压气机中介机匣全流量工况特性的数值研究

为全面评价压气机中介机匣性能,从上下游匹配角度,定义了中介机匣节流特性,从流动损失、出口畸变和流量阻塞三个方面,在全流量工况范围内评估中介机匣的性能,并给出了相应性能参数表达式。在均匀和实际不均匀总压入口条件下,对小型涡扇发动机压气机中介机匣流场进行数值计算,获取其全流量工况性能参数,并分析其流动机理。计算结果表明:中介机匣的出口总压损失和总压畸变程度随流量增加而增加;在实际不均匀进气条件下,流动损失和畸变程度均大于均匀进气条件;当中介机匣的设计流量和最大流量接近时,会造成压气机和中介机匣共同工作的阻塞流量明显减少。因此,对中介机匣进行性能评价时应考虑到实际的入口条件和非设计点的影响,在设计和选配中介机匣时应保证足够的流量裕度。

大长径比圆截面隔离段流场的数值研究

对2 Ma均匀来流条件下大长径比L/D=17.5的等直圆截面隔离段内流场进行了数值模拟。研究了在不同背压和不同壁面粗糙度的条件下,隔离段内激波串形态、静压分布、总压恢复。结果表明:激波串位置与背压呈非线性关系,激波串中形成数道"X"形的激波,总压恢复系数随背压增加先减小后增大;壁面粗糙度增加会使激波串前的壁面压力有所增加,使激波串向上游移动,激波串的第一道激波强度增大,之后的激波强度迅速衰减。

进气畸变及非轴对称端壁造型对紧凑型压气机中介机匣性能的影响

为掌握畸变进气下非轴对称端壁造型对大径向落差长度比紧凑型压气机中介机匣气动特性的影响机制,采用数值模拟方法研究了畸变进气条件下中介机匣的流动特性,并进一步探索了轮毂非轴对称端壁造型对中介机匣内部流动结构和节流特性的影响。结果显示:进气畸变下中介机匣出口流场高总压损失与畸变主要来源于轮毂表面附面层分离产生的旋流和支板角区分离的共同作用。采用提出的基于三角函数的非轴对称端壁造型方法可有效消除轮毂表面的分离螺旋节点和支板角区分离,使中介机匣性能得到明显提升,总压损失系数降低约11.4%,且畸变进气下轮毂端壁造型对中介机匣节流特性的影响规律与均匀进气不同。

基于基团法的冲压发动机燃烧室性能分析

利用基团贡献法及变物性燃烧模型建立了冲压发动机燃烧室性能计算模型。利用模型分析了不同速度、海拔高度、余气系数条件下,燃烧室出口总温、加热比的变化。分析结果表明,性能计算模型可在基团法允许范围内,对不同来流条件下冲压发动机燃烧室的性能进行预估。对流层以内,马赫数越高、高度越低、余气系数越低则燃烧室出口总温越高,反之则越低;马赫数越低、高度越高、余气系数越小则加热比越大,反之则越低;进入平流层以后,出口总温和加热比随海拔高度的变化趋于平缓。

基于数据同化的试验数据驱动的叶栅流场预测

为了更精确地预测压气机叶栅流场,发展了一套基于两步集合卡尔曼滤波数据同化方法的试验数据驱动的流场预测框架。首先使用测试函数校验了集合卡尔曼滤波算法的准确性,并探讨了各超参数的选取准则,分别使用S-A和SST湍流模型对MAN GHH叶栅在设计马赫数不同攻角工况下流场进行了试验数据驱动的流场预测,预测流场与试验测量结果高度相符。结果表明:相比原始参数的预测结果,数据同化校正后的流场与试验测量结果的偏差减小了将近70%;对于多数工况校正后流场叶片吸力面尾缘分离泡尺寸明显减小,分离起始点延迟,2种湍流模型校正流场的来流边界条件、流场物理量分布具有较高的一致性,表明试验数据驱动的流场对湍流模型的依赖性较低。

二维扩压叶栅流场的数据同化研究

为提高二维扩压叶栅流场的预测精度,构建了一套基于集合卡尔曼滤波方法的适用于扩压叶栅内流流场的数据同化方法,对MAN-GHH扩压叶栅不同工况流场进行了数据同化研究,通过校正流场数值模拟的来流边界条件和S-A湍流模型的系数,获得了与叶栅风洞测量数据高度相符的流场。结果显示:数据同化方法可以使预测偏差减小60%以上;在各种工况,边界条件校正在叶栅流场数值计算中十分必要;对于多数工况,S-A湍流模型预测出的叶片吸力面尾缘分流泡尺寸过大,湍流模型系数修正可以改善流动分离预测效果,提高预测精度;校正后的湍流模型系数呈现一定的规律性。

基于数据驱动的轴流压气机特性图规律及预测

为探索轴流压气机特性线的内在规律,结合数据分析方法和热力学原理,对五十余幅轴流压气机特性数据进行了研究。通过将多种热力学参数引入特性图,并提出了压气机特性描述参数,从各转速峰值效率点连线、近喘振区和近堵塞区3个方面分析了压气机特性中物理量间的规律,发现了压气机特性参数与设计指标间的关联,并依据前述规律发展了基于设计指标和性能参数的压气机特性预测算法。研究发现:在工作转速范围内,多个热力学参数之间存在明确的线性相关性,各轴流压气机的特性参数与设计点总压比有显著关联,而与设计点效率关联不明显。提出的预测算法可以在没有叶片几何信息的条件下,仅依靠设计指标和性能参数,较好地预测出总压比小于8的轴流压气机性能。