离心泵内空化流动诱导非定常激励特性

空化流动诱导的非定常激励是引起泵振动噪声的主要因素之一,为研究其特性,运用完整空化模型和混合流体两相流模型,对比转数为86的离心泵流道内部的空化流动进行非定常数值计算。结果表明,空化的初生位于叶片背面进口边附近,随着进口压力的下降,空泡不断向叶轮出口方向扩散,当空化现象严重时,流道内会出现低速漩涡区;流场中压力脉动频率存在明显离散特性,叶片通过频率下的脉动幅值较大;流场内压力脉动强度大小会随着空化发展程度的强弱相应发生改变,空化越严重,压力脉动越强烈,且叶轮所受径向力合力大小及监测时间内始末两时刻瞬时径向力差异也越大,同时非定常径向力波动幅度也较大;空化的发展还会导致轴向力的大幅增加,对泵运行的稳定性及泵轴的安全性造成影响。

螺旋桨非定常激励力传递特性研究

螺旋桨非定常激励是引起轴系和潜艇振动的重要因素。首先建立轴系-艇体耦合结构模型,通过有限元仿真对比螺旋桨横向和纵向激励的传递特性以及螺旋桨非定常激励力引起的潜艇声振特性,并重点研究轴系对螺旋桨纵向非定常激励的传递作用,最后通过试验对仿真分析结论进行验证。结果表明,轴系对螺旋桨纵向激励的传递效率明显高于横向激励,且纵向非定常激励引起的潜艇振动和声辐射也显著高于横向非定常激励;轴系对螺旋桨纵向非定常激励具有显著的放大作用,对潜艇水下声辐射影响较大。

非定常激励抑制轴流叶栅分离的数值分析

本文对大转角压气机叶栅大攻角工况在来流尾迹非定常激励作用下的时空结构进行了数值分析.合理的非定常激励明显提升了叶栅的时均性能,与激励频率对应的涡结构得到强化,其它频率的杂涡被卷吸,无序的吸力面分离流结构变得有序。文中分析了周期性来流尾迹控制分离结构的作用机理:波涡共振促进涡的卷起和配对;湍动能强化动量交换。基于此,比较了两种来流尾迹模式下分离结构对来流周期性的响应问题.另外,针对管道风扇引起的远场噪声,在来流尾迹非定常激励作用下对其降低的可能性进行了设想.

环形叶栅内利用非定常激励减少分离区损失的研究

阐述了在环形扩压叶栅内利用非定常激励减少分离区损失的实验研究成果。在测得各个工况下环形叶栅的分离旋涡频谱特性的基础上,采用施加声激励的实验手段,系统研究了扩压环形叶栅内流动与非定常扰动之间相互作用的机理,证实了一定条件下的非定常扰动能促使叶栅分离区的减小,从而降低总压损失,达到提高气动性能的目的。分别从激励频率和强度的角度出发,探索了影响激励效果的途径。

非定常等离子体激励对大攻角流动分离控制的数值模拟研究

应用交流电(alternating current,AC)介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)等离子体流动控制由于其结构简单、响应频率快、可实现实时定量控制等优点,正在成为等离子体流动控制技术的重点研究方向。结合基于分离涡模拟(detached eddy simulation,DES)和等离子体唯象体积力模型的方法研究非定常等离子体激励对NACA0015翼型在攻角为20°情况下流动分离控制。结果表明:非定常等离子体激励在高雷诺数、大攻角下对翼型分离具有明显的控制效果,可以达到增升减阻目的,且流动控制效果比定常激励效率更高;非定常等离子体激励流动控制与定常等离子体激励流动控制机理不同,非定常等离子体激励通过促进分离区内速度脉动,对流场产生非定常的干扰,使得分离剪切层提前失稳,增强流场涡结构的掺混,从而抑制流动分离。

等离子体激励频率对压气机扩稳效果的影响

为考察放电频率对压气机扩稳效果的影响,实验研究了定常等离子体激励和非定常等离子体激励的扩稳效果。实验在单转子轴流压气机实验台上进行。压气机转速为900r/min时,采用激励电压峰峰值为14.8kV、功率为180W定常等离子体激励可以获得1.1%的扩稳效果。压气机转速提高至1 200r/min,采用定常等离子体激励无法实现扩稳,而采用非定常等离子体激励可以获得近2%的扩稳效果,且功耗为36W。可见相较定常激励,非定常激励的扩稳效果好且功耗低。通过分析电压波形,发现目前使用的非定常等离子体激励电源输出电压波动较大,这样易于发生爬电,限制了等离子体流动控制的效果,因此还需要进一步改进等离子体电源以获得更规则的电压波形。

新型介质阻挡放电等离子体激励器的放电与诱导流动特性实验

等离子体流动控制扩大压气机稳定性对等离子体激励器的诱导气流速度提出了更高的要求。进行了新型布局介质阻挡放电等离子体激励器的放电特性与诱导流动特性研究,实验研究不同放电电压和占空比对激励器诱导气流速度的影响,并与传统布局激励器进行了对比分析,探讨其在压气机扩稳实验上应用的可能性。结果表明:相对于传统布局等离子体激励器一个放电周期内有一次"强"放电和一次"弱"放电,新型布局等离子体激励器有两次"强"放电;放电频率为15k Hz时,新型布局激励器的诱导气流速度在较低电压下比传统布局激励器小,在较高电压下比传统布局激励器大,最大速度能达到4.7m/s,因此在高电压下能够更好地抑制压气机叶顶泄露流或泄露涡的流动;两种激励器产生的射流都为紊流,随电压增高诱导气流紊流度增大,且新型布局激励器在高电压下紊流度更大,能更好地促进压气机主流与附面层之间的掺混;固定放电电压和放电频率,两种激励器的诱导气流速度均随着占空比增大而线性增大。

动静干涉下压气机叶轮气动激励与振动分析

为研究离心压气机叶轮的气动激励特征及激励作用下的振动特征,建立了单向瞬态流固耦合模型进行计算分析.利用模态分析确定了叶轮的共振工况,在此工况下进行单向瞬态流固耦合计算.讨论了叶轮与进气弯管和出口蜗壳发生动静干涉时,其表面非定常气动激励的时域与频域特征,并进一步讨论了叶轮在此气动激励下振动时的时域与频域特征.结果表明,叶轮共振时的主要振动分量是基频与共振频率处的振动分量,共振频率处较小的气动激励引发了较大的振动幅值;长叶片吸力面前缘等位置处动应力及离心应力较大,是疲劳失效危险点,叶轮易从此处萌生疲劳裂纹并发生疲劳断裂.

单级近失速工况全环非定常数值模拟研究

对低速轴流单级使用数值模拟的方法,研究靠近稳定边界处,压气机内详细的流场结构。对于不同叶高,随着叶片高度增加,叶片的压差越大,负荷越大。对转子前缘的压力数值探针结果进行傅里叶分析且表明,转子周向上出现了两种不同旋转周期的静压扰动,分析不同周向点的压力结果,呈现的扰动现象不同。由于叶尖间隙的存在,产生了叶尖泄漏涡,并且与主流相互作用,不同周向位置的涡系结构存在区别。对于该压气机,在近失速点附近,质量流量过小,产生的泄漏涡强度有限,最终未出现经典的旋转不稳定现象,反而更接近于叶顶自激励非定常。

基于流体振荡器阵列的S型流道主动控制实验研究

本文针对一个典型的大折转角、大尺度S弯流道,设计并制造了一个由16个流体振荡器组成的大型阵列,并对S弯内部流动进行了主动控制实验研究。首先采用高频响热线风速仪、高精度质量流量计等手段测量了流体振荡器的频率、速度、流量等随进口压力的响应变化规律及其在大型阵列中的工作特性一致性。其次采用壁面压力采集、五孔探针等手段测量了不同激励条件下,S弯流道的壁面压力分布以及出口截面的总压分布情况。结果表明,所设计的脉冲型流体振荡器能够产生1 kHz以上,峰值速度高于300 m/s的高频高速振荡射流,且阵列中多个振荡器的流量、频率、振荡速度范围等工作特性保持了较好的一致性。流体振荡器阵列在S弯流道上壁面一弯前缘形成了一排开孔率仅为10%的脉冲射流孔,在与主流成45°射流角度、进口马赫数Ma=0.15,激励速度比uR=4.31条件下,仅使用激励质量流量比Cm=0.39%的激励质量流量,就使S弯流道的出口平均总压损失改善了10.6%。本研究验证了流体振荡器阵列控制大尺寸分离流动的高效能力。

非定常等离子激励器诱导平板边界层的流动结构

采用唯象模型模拟DBD等离子激励器,通过求解Navier-Stokes方程研究了等离子非定常激励与平板边界层的相互作用.分别考察了激励强度、激励波形和激励频率对非定常等离子体激励诱导流场结构的影响.结果表明,非定常等离子激励使边界层内形成系列涡对,其涡量沿程呈指数型衰减.涡对的强度主要由等离子的有效激励强度决定,激励频率主要是对涡的平均流向间距的影响.占空因子不太大时,相邻涡对的相互作用可以忽略,激励波形对涡对影响不大.

处理轮毂转速的实验研究

在低速环形叶栅实验台上圆弧斜槽处理轮毂相对静子扩压叶栅环的旋转频率对叶栅端壁区流动进行了影响实验探索。结果表明:轮毂处理能够消除叶栅端壁区的低速团,减小流动堵塞,叶栅流通能力最大提高了26.2%。轮毂处理消除端壁分离的能力与处理轮毂的旋转方向和相对转速密切相关。随着处理轮毂转速的增加,叶栅流通能力增加,并且存在局部非线性较强的转速范围。因此,轮毂处理的设计还应该考虑叶排与处理槽相对运动带来的流动非定常性。

基于各向异性多孔介质模型的刷式密封无间隙泵喷推进器性能分析

间隙流动对泵喷推进器的水动力性能及流激振动特性具有重要影响。针对刷式密封无间隙泵喷推进器的设计和性能开展研究,采用各向异性多孔介质模型表征刷式密封,建立了刷丝束双向流固耦合模型与含多孔介质的泵喷推进器敞水计算流体力学模型。根据流固耦合仿真试验确定多孔介质模型控制方程动力源项中的阻力系数,利用正交试验优化了刷式密封的结构参数,计算了优化后的刷式密封无间隙泵喷推进器的水动力性能。通过与空泡水筒试验结果对比分析可知,相比于理想无间隙泵喷计算模型,采用多孔介质可以将扭矩计算精度提高4%。基于验证的多孔介质数值模型,开展非定常计算,获得刷式密封无间隙泵喷推进器的激励力特性,结果表明,刷式密封无间隙泵喷推进器的轴向推力脉动频谱与扭矩频谱在叶频及倍叶频处下降一个数量级。

转子叶片气弹稳定性与强迫响应分析

针对由叶轮机械转子叶片流致振动引起的叶片高循环疲劳失效的突出问题,采用数值模拟方法对叶片流致振动特性进行预测分析。常见的流致振动问题包括气弹稳定性和强迫响应,分别以压气机和高压涡轮转子叶片为例给出了气弹稳定性和强迫振动响应的分析方法及其流程。对于压气机叶片,采用能量法和特征值法进行了气弹稳定性计算。结果表明:气弹稳定性结果相互吻合,在高阶模态下的气动阻尼比在低阶模态下的更小,根据振型特征确定危险点位于叶尖近前缘和近尾缘部位,在该部位可能导致叶片掉角, 对于高压涡轮叶片,分析了其强迫振动响应特征。结果表明:叶片非定常气动激励主要来源于上游导叶,在设计状态下其频率距离转子叶片第5阶模态频率较近,并对危险模态阶次的共振应力进行分析,在0.14%阻尼下振动应力最大可达134 MPa。

推力轴承隔振对潜艇声振特性影响研究

目前潜艇的推力轴承与基座之间采用刚性连接,有必要对推力轴承进行隔振设计。首先研究基于传递矩阵法的推力轴承隔振器设计方法,以某艇推进轴系为例设计两套推力轴承隔振方案,并研究推力轴承隔振对轴系稳定性、潜艇声振传递特性和螺旋桨非定常激励下潜艇水下声辐射的影响。结果表明,推力轴承隔振对螺旋桨激励引起的潜艇水下声辐射具有良好的隔振效果。

脉冲爆震涡轮发动机转子系统优化设计

为研制某脉冲爆震涡轮发动机样机,根据总体设计要求设计了相应的空心轴转子-轴承结构系统。基于有限元法建立了该转子系统的理论分析模型,采用数值积分方法开展了考虑脉冲爆震非定常周期气动载荷作用的转子系统动力学特性计算。将在临界转速处转子的振动幅值最小化作为优化目标,以转子系统各阶临界转速与发动机慢车转速及工作转速之间的裕度作为约束条件,结合转子强度的相关要求,基于NSGA-II多目标优化算法对转子系统的支承位置、刚度及转子结构的几何参数进行了优化设计。结果表明:优化后的转子-轴承系统满足总体设计要求,临界转速与工作转速之间的裕度超过20%,且保证了前3阶临界转速对应的振动幅值最小化。研究方法和结果可为脉冲爆震涡轮发动机转子系统结构设计和优化提供参考。

利用等离子体非定常射流实现单转子轴流压气机扩稳

实验研究了非定常等离子体射流对低速单转子轴流压气机稳定工作范围的影响。实验在低速单转子轴流压气机实验台上开展,在压气机转子前缘处布置一组等离子体激励器,通过施加非定常等离子体激励,在压气机转速为1500～2400r/min下实现了压气机扩稳。实验测量表明需要协调好激励器布置位置和激励强度之间的矛盾,将激励器靠近转子前缘对叶尖泄漏流的作用更强,不过距离转子过近会造成激励器与叶片之间易于爬电,这样无法提高激励强度,反而不利于扩稳,通过反复实验,发现在转子前缘19 mm布置激励器时不会发生爬电且扩稳效果比较理想。为了对等离子体诱导射流发生的反作用力有定量认识,利用电子天平测量了不同激励电压下反作用力的大小。

合成射流控制高负荷扩压叶栅分离数值研究

采用数值模拟的方法,研究了合成射流对高负荷扩压叶栅分离流动的控制效果,分析了关键的控制参数激励频率、幅值和位置对控制效果的影响。结果表明,合成射流能够有效削弱高负荷扩压叶栅内的大尺度分离结构。激励频率与原流场的主分离涡脱落频率相近时控制效果占优。激励幅值存在较为明显的阈值,当激励幅值大于该阈值时控制效果较为显著。激励位置位于主分离涡起始位置附近时,控制效果较好。

风力机翼型尾迹干扰的PIV研究

实验采用粒子图像测速仪PIV(particle image velocimetry)技术对风力机翼型尾迹的气动干扰进行了研究.针对尾迹对翼型前缘、叶背和叶盆的不同激励,对下游翼型的流场结构进行了分析.结果表明:有益的尾迹激励为不明显改变下游翼型主流区的非定常激励;当上、下游翼型处于相同攻角和适当轴向距离时,在翼型前缘的尾迹激励使得翼型的叶背分离得到明显抑制.