Sivells方法在高马赫数低总压喷管设计中的适用性分析

目前高超声速轴对称型面喷管广泛采用Sivells方法进行无黏型面设计,通过求解轴对称的von Kármán动量方程进行边界层修正。该方法在常规高超声速风洞、激波风洞等的高马赫数、高总压条件下已成功应用,但鲜有在高马赫数、低总压条件下的应用研究。在低总压条件下,采用该方法设计了马赫数6、8、10、12的轴对称型面喷管,通过数值模拟分析流场结构,并进行试验验证;模拟了喷管射流流场,通过对射流流场进行结构分析,判断设计方法的适用性。研究结果表明:马赫数6、8喷管流场与设计基本一致,射流流场品质较好,适合开展风洞试验;马赫数10、12喷管流场局部过度膨胀,马赫数高于设计值,其中马赫数10喷管的射流流场品质较好,马赫数12喷管的射流流场品质下降显著且马赫数轴向梯度增大。因此,在高马赫数、低总压条件下,Sivells设计方法仍适用于马赫数6、8喷管,马赫数10喷管处于临界状态,而不适用于马赫数12喷管。

0.75m×0.50m结冰风洞气动——热流场品质评估

结冰风洞气动—热流场品质是结冰风洞开展试验应用的先决条件,为评估0.75m×0.50m结冰风洞的气流场和热流场品质,依照SAE ARP 5905结冰风洞标准,对0.75m×0.50m结冰风洞的气流场和热流场开展符合性校测试验,考察试验段中心截面的气流速度场、方向场和温度场品质,获得试验段气流速度修正关系和气流总温修正关系。结果表明:试验段气流速度空间最大偏差小于±2%,且试验段气流速度空间均匀性会随着气流速度的增大而得到改善;试验段气流偏角空间最大偏差小于0.8°;气流总温在-20℃以内时,空间均匀性可达到±1℃,气流总温为-30℃时,空间均匀性可达±2℃;0.75m×0.50m结冰风洞的气动—热流场品质符合SAE ARP 5905要求。

旋转爆震火箭发动机推进性能分析

针对旋转爆震发动机(Rotating Detonation Engine,RDE)燃烧室简化二维流场,采用流场分区,建立了一种适用于RDE工作特性的性能分析模型,可快速准确地估算RDE的推进性能。模型考虑了燃烧室内气流膨胀过程中的气流角度匹配,可准确描述存在单个爆震波时的基本流场结构特征,包括爆震波倾斜角度、斜激波角度、滑移线角度等,结果与已有文献的研究结果一致性较高。根据模型流场中所取控制体的进出口参数,可得理想膨胀状态下RDE的推进性能,估算结果与已有性能估算模型吻合较好,与已有实验数值偏差为8%。经验证推导,模型亦可用于多波模态。采用该性能分析模型对比研究了不同反应物当量比、进气总压和总温下火箭式RDE的推进性能。研究表明,性能分析模型可准确反映RDE燃烧室的非稳态流场特征,且可快速准确地估算RDE的推进性能,为RDE推进性能的评估提供了简便可靠的方法。

涡旋压缩机吸气过程流场特性研究

针对涡旋压缩机吸气过程产生的预压缩现象,为了探明其产生机理和对压缩过程的影响以及流场的变化规律,基于计算流体动力学原理,在不同曲轴转速条件下,运用三维动网格技术对涡旋压缩机内部流场进行数值模拟计算。结果表明:吸气腔与两侧进气流道的流场分布均不对称,不同曲轴转角时进气流道、吸气腔等位置产生强度不同的涡流区;随着曲轴转速的提升,吸气过程预压缩现象发生时曲轴转角提前约10~21°不等,引起吸气腔内压力升高23.5%~29.0%,使得实际吸气量与理想吸气量不再相等,涡旋齿尾部涡流现象随之加剧。

探针支杆改变对测点处结果及流场影响研究

以小尺寸高负荷增压级中介机匣流道为对象,采用数值模拟的方法研究了无探针、探针支杆直径为12 mm及12×6 mm腰型支杆测点处总温总压及支杆尾迹对流场影响。结果表明:腰型支杆进出口总压损失较圆柱支杆较小;改变探针支杆对测点处总温及总压脉动结果影响较大;支杆尾迹对流场周向影响可达数倍支杆尺寸。

Turbulent Flowfield Analysis in a Bluff-Body Burner Using PIV

The structure of inert turbulent flows, stabilized in a Bluff-Body burner, is studied considering different volumetric flows for Nitrogen jet and annular air in coflow configuration. Flowfield analysis on Bluff-Body burner is essential to improve the knowledge about this burner, which plays an important role in industrial applications. Thus, vector velocity field is performed, employing Particle Image Velocimetry technique. Also, an uncertainty analysis is performed considering parameters involved in this technique yielding 6% to velocity measurements. The acquired information produces the results based in flowfield structure, which are presented in terms of statistical momentum and Reynolds stress, in which Boussinesq Hypothesis is considered to incompressible flows. However, this hypothesis fails in certain conditions. In this way, is possible to comprehend and provide experimental data from the turbulent effects on the flowfield and also contribute to predict the combustion flows, in order to enable the validation and develop numerical models.

空气净化器的流场模拟与模型优化

以硫化氢为目标污染物,运用CFD数值模拟对空气净化器内部气流进行模拟与分析。建立系统内部气流组织的网格模型,对滤网阻力特性进行实验研究与分析,采用Fluent软件对系统内部流场进行仿真,在空气流量340m^(3)/h的工况下,得到不同进出口模型的速度场、压力场与出口污染物浓度。仿真结果:流速与压降均随着进出口尺寸的增大而减小,在Y=150mm截面上气流速度变化最大。与矩形进出口相比较,圆形进出口内部气流较为稳定,出口污染物浓度更低。为了使系统内部气流稳定,减少涡流效应与气流叠加现象,应使进出口尽可能地覆盖风道主体。根据模拟仿真结果,可以对空气净化器结构与净化模块进行合理的优化设计。

高超声速再入体表面热解烧蚀效应数值模拟

表面防热材料热解与烧蚀效应研究在高超声速飞行器总体设计中具有重要应用价值。以热解烧蚀效应对飞行器目标特性及通信性能影响的预测评估为背景,从化学非平衡气体动力学方程及固体热传导方程出发,建立了气-固交界面上热解烧蚀壁面边界条件的一般形式及热物理化学模型,发展了高超声速再入体绕流流场与表面材料内部温度场耦合求解的数值模拟方法,并对计算模型和数值方法的可靠性进行了验证分析。在此基础上针对复杂外形再入体及表面硅基防热材料,开展了典型再入条件下再入体绕流及尾流流场的数值模拟,重点分析了表面材料热解烧蚀效应对流场等离子体分布的影响。研究表明:在表面材料中不含碱金属杂质的情况下,热解与烧蚀效应对流场中等离子体分布影响较小,而在含有微量碱金属杂质的情况下,热解与烧蚀效应对流场中等离子体分布及化学组分分布具有很大影响,由此对再入目标特性与电磁通信性能带来的影响不容忽视。

舰载直升机-舰船耦合流场数值计算研究综述

舰载直升机舰面起降是海上舰载直升机最危险的作业之一,而舰船表面的复杂气流干扰是造成该问题的主要因素之一。本文从孤立舰船舰面流场主要特征分析出发,分别总结了航空母舰与非航空母舰类舰船的主要流动特征,以及舰载直升机-舰船耦合流场的主要流动特征。在此基础上,根据舰船表面流场计算采用的数值方法分类,从无黏流场到黏性流场计算、从定常数值计算到非定常数值计算,系统介绍了国内外的发展情况与主要研究工作。对舰载直升机-舰船耦合流场数值研究,根据采用的模型与耦合方法分类,从动量盘简化耦合模型到完整直升机模型、从单向耦合到双向耦合,介绍了国外的发展历程及主要相关工作。期望舰面流场以及机-舰耦合流场数值计算主要方法的探讨,能为后期机-舰耦合流场研究及机-舰适配性研究提供参考。

斜风来流下纵摇运动对机-舰耦合流场的影响

机-舰耦合流场是一个复杂紊乱的非定常流场,舰船的六自由度摇摆运动会进一步恶化飞行甲板上方的流场环境。为了探究舰船的摇摆运动对飞行甲板上方机-舰耦合流场的影响,基于简化护卫舰SFS2和旋翼的耦合模型,对两种斜风状态下、纵摇运动中的机-舰耦合流场进行了数值模拟,分析了纵摇运动对机-舰耦合流场结构和旋翼拉力的影响,对比了两种斜风状态下的流场差异。研究结果表明:随着舰船的纵摇运动,机库后方形成的不稳定混合涡结构和垂向气流会对旋翼气动力造成明显的影响,旋翼拉力出现了近似周期性的变化,与纵摇运动的周期一致,但各观测点处的速度分量均未出现周期性的变化;旋翼拉力在甲板上浮至水平位置附近时最大,在甲板下沉至水平位置附近时最小,对于左舷和右舷来流,拉力分别降低了约13%和6%,因此飞行员要认识到纵摇运动带来的拉力损失,确保直升机具有足够的操纵量,以便能及时调整总距来保证直升机在该状况下的起降安全性。

伺服交叉孔零件磨粒流去毛刺仿真研究及试验验证

针对伺服机构交叉孔零件头部壳体存在的毛刺去除工艺效率低、去除均匀性、一致性差的问题,本文提出采用磨粒流去毛刺工艺。在工件内部结构分析、去毛刺加工路径规划的基础上,建立起各加工路径流道仿真模型,通过对比各入口流道组对应路径的流场特性优化得出较优加工路径,并在头部壳体工件上进行了磨粒流去毛刺验证试验。结果表明,在大孔出口处增加引流段结构、延长流道长度,可有效改善流道内部流线分布不均匀、流线压力相差较大的缺点,最终解决了加工中毛刺去除效果不一致的问题,并有效保护了入口与出口处的锐边。流道内部毛刺实现了去除,内部小孔道边缘出现倒圆,提高了工件的表面质量及使用性能。

液控单向阀配流高压马达配流阀口节流特性分析与流场仿真研究

配流机构的节流压力损失和泄漏是影响液压马达动态性能的重要因素。针对液控单向阀配流液压马达的配流过程中阀芯的运动特性及其流场特性开展研究。基于液控单向阀配流液压装置,分析其配流阀阀芯运动特性,利用AMESim搭建液控单向阀模型,探究不同负载压力下、不同阀芯结构下,液控单向阀其阀芯运动特性;利用Fluent软件,研究阀芯开启过程中的节流压降以及流场流速情况。结果表明:在液阻孔以及阀芯小端直径一定时,阀芯小端直径与阀芯大端直径比值越接近1,其阀芯响应时间缩短,在高负载压力下,其阀芯响应也更快。在阀口输入流量为40 L/min时,其阀口前后压差为1.3 MPa,用于为高压低速大扭矩马达配流是可行的。

舰船甲板气流场对人员作业安全性影响分析

舰船海上航行时,甲板上的直升机旋翼尾流和舰面流场相互掺混形成了复杂的流场,这不仅会影响直升机的安全起降,同时也会对甲板作业人员的安全性造成影响。本文首先开展了流场中的人体模型数值模拟,分析了不同风速下的人体受力情况,提出了影响人员作业安全的风速范围。之后开展了西北风级、戴高乐号、伊丽莎白女王号及美国号四艘舰船的气流场仿真,依据风速范围对各舰船甲板人员安全性进行了分析,总结出作业危险区域及形成原因。在此基础上,开展了直升机进舰耦合流场计算、直升机舰面降落耦合流场计算以及舰面多机降落耦合流场计算,并对直升机进舰降落过程中甲板高速气流场以及多机降落过程中的高速气流场进行了分析,总结了甲板面人员作业危险区域。

改善内乘波式进气道出口均匀性的内收缩基本流场研究

内收缩基本流场的设计直接决定了内乘波式进气道最终性能。以出口流场均匀为目标,提出了两种新型内收缩流场,分别命名为ICFC流场和ICFD流场并给出了相应的设计方法。以来流马赫数6.0和出口马赫数3.0为条件,设计了含截短Busem ann流场在内的几种典型三维内收缩流场,开展了流场分析和性能对比。综合分析后发现,在保证流场具备较高性能参数的前提下,ICFC流场出口参数最均匀,更适合于内乘波式进气道设计。初步研究获得的ICFC流场主要性能参数随入口气流偏转角的变化规律,为改善内乘波式进气道出口均匀性设计提供了依据。

低比转速离心泵内部流场分析及试验

为了研究低比转速离心泵内部流动特性,对10种不同设计方案的低比转速离心泵进行了数值模拟和性能预测,讨论了叶轮和蜗壳的关键几何参数对内部流场和外特性的影响,分析了不同设计方案下泵内的静压、流线、速度和湍动能等分布,并针对复合式叶轮短叶片的分布位置和蜗壳喉部面积进行了对比试验。试验结果表明,该文优选的方案D,通过增加偏置短叶片后,扬程提高了5.5m,效率提高了3.23%;增大蜗壳内部和喉部面积后,5种设计方案的额定点扬程均提高了约10m,效率提高了约5%,且扩大了高效区范围。该研究将为低比转速离心泵的性能优化提供一定的科学依据。

共轴双旋翼与单旋翼悬停流场实验测量值的对比

以三维激光多普勒测速仪测得的数据为基础，全面比较了共轴式双旋翼与单旋翼尾迹流场中轴向、径向和周向速度的特点与差异。分析指出，由于双旋翼相互间的气动干扰，导致其流场与单旋翼的明显不同，而这些不同沿各向异性，轴向最大，径向次之，周向最小。文中对周向速度表现出的异乎寻常的特点作了进一步的说明，这对建立共轴式双旋翼尾迹流场的数学模型具有重要意义。

欠膨胀自由射流密度场的丙酮平面激光诱导荧光显示与测量

介绍了利用丙酮平面激光诱导荧光(PLIF)技术测量自由射流密度场的原理,并对两种射流总压下含有丙酮蒸气示踪剂的欠膨胀自由射流的密度场结构进行了显示。所得图像直观地显示了射流的桶状激波和马赫盘等特征信息,从中可以看出射流欠膨胀度主要影响马赫盘以前的流场,射流欠膨胀度越高,则射流直径越大,马赫盘越远离喷口,桶状激波越向外凸出。为检验丙酮PLIF技术测量密度场的精度,对实验流场进行了数值仿真。仿真所得到的密度场结构以及沿射流轴线的归一化密度变化曲线与实验得到的相应结果符合较好。

水滴撞击特性的数值计算方法研究

对水滴撞击特性的数值计算方法进行了研究。在对防冰部件流场进行计算的基础上 ,通过对水滴所在单元的判断和单元内流场速度的插值求解以及水滴运动轨迹计算边界的判断 ,采用差分法对水滴运动方程进行了数值求解 ,得到了水滴运动轨迹 ,从而确定了水滴的撞击极限、总收集系数和局部水收集系数等水滴撞击特性参数 ,为飞机防冰系统的设计奠定了基础 ;此外 ,以发动机进气道的水滴撞击特性的计算为算例 ,研究了飞行高度、飞行速度及水滴半径对水滴撞击特性的影响。

气动塞式喷管的流场数值模拟和设计参数探讨

针对气动塞式喷管流场中存在的激波、激波与附面层相互作用、大尺度分离流动等复杂的物理现象 ,本文采用扩展的压强校正法求解用紊流模型封闭的可压缩湍流平均 N-S方程组 ,利用交错网格系统抹平迭代过程中的数值振荡 ,并通过高分辨率的 TVD格式进一步改善压强校正法的激波捕获效果 ,对气动塞式喷管的流场进行了详细的数值模拟。并进一步探讨了喷管倾角、塞锥长度和二次流流量比对喷管流场结构和性能的影响。

叶轮机械中三维周期性非定常流场测量

本文改进了三维非定常速度场的单斜丝测量技术，发展了三维非定常压力场的试验—数值确定方法。采用上述测量方法，借助于位移结构、高速数据采集系统和锁相采样平均技术，成功地测出了叶轮机转子出口三维周期性非定常流场。