高位进气、径向出流的旋转腔内流动与换热的数值研究

用标准k-ε模型模拟了航空发动机涡轮盘冷却系统的高位进气、径向出流盘腔模型的湍流流场和温度场,分析了其盘面平均Nu数随旋转雷诺数Reω和进气雷诺数Re的变化。

涡旋光束在双拉盖尔-高斯旋转腔中的非互易传输

通过构造两个线性耦合的拉盖尔-高斯旋转腔系统,实现携带轨道角动量的涡旋光束的非互易传输现象.系统中,两个拉盖尔-高斯旋转腔模通过扭力与中间的旋转镜耦合,同时两个涡旋腔场通过光纤直接耦合起来.两个强光场分别驱动不同的腔模,并利用一个弱探测场从系统一侧入射,从而对该系统两个传播方向的光响应特性进行研究.利用该系统哈密顿量和海森伯-郎之万方程,结合输入-输出关系可得到系统的输出光谱.结果表明此系统中的涡旋光束的非互易性来源于光旋转相互作用以及涡旋腔场相互作用之间的量子干涉效应.因此,可以通过调节非互易相位差来对系统的非互易传输进行调制.此外,两个涡旋光束所携带的拓扑荷比值会显著影响传输特性;在适当的拓扑荷比值下,该系统可以实现涡旋光束的单向传输.本研究成果有望用于实现理想的涡旋光隔离器.

旋转腔振动磨机——传统管式振动磨机的进一步发展

柏林技术大学研制的旋转腔振动磨机,消除了传统管式振动磨机在动力学和工艺方面的缺点。该磨机分别以大振动圆直径和高速度运转时,一数学模型被用来计算输入的法向冲量和能量耗散沿磨机周边的分布。磨矿结果证明,用旋转腔振动磨机可以取得较好的磨矿效果。

轴向通流旋转盘腔内流动不稳定性研究

为了研究旋转腔内流动不稳定性问题,采用旋转坐标系稳态方程,用数值模拟的方法分析了轴向通流旋转盘腔内的流动,得到了旋转系下哥氏力和离心浮升力分别对流动不稳定的作用,以及这两个力的非线性综合作用对流动不稳定的影响.结果表明:哥氏力是恢复力,不影响流动稳定性;离心浮升力是造成流动不稳定的主要因素,盘腔内的流动是离心力场下的Rayleigh- Benard对流和强迫对流的混合流,随着浮升力的增强流动由稳态发展为非稳态;哥氏力与离心浮升力的综合作用加剧了流动不稳定性,盘腔内r θ面出现了明显的旋向相反的对涡.

腔外旋转泵浦的Nd∶YAG固体激光器研究

固体激光器的热管理仍然是高功率激光系统发展的一个持续挑战。在激光系统中增益介质和泵浦光之间引入相对运动是一种高效的热管理方案。针对静止泵浦,旋转增益介质泵浦以及泵浦光旋转泵浦3种泵浦方式,借助有限元数值模拟方法分析了Nd∶YAG晶体的温度分布。泵浦光以800 r/min旋转时,在35 W泵浦功率下,使用标准的热沉冷却技术,晶体的最高温度达到约36℃,仅增加约16℃,这远低于静止泵浦时的142℃。实验设计并演示了一种腔外旋转泵浦的Nd∶YAG激光器,得到了12.2 W的1 064 nm连续输出,斜率效率为37.2%,这大于静止时的35.1%,实验结果与理论结果相符合。研究表明,腔外旋转泵浦的固体激光器拥有高效的热管理。

旋转盘腔冷却问题的工程评价

对涡轮旋转盘腔的流动与换热问题，可以采用阻力评价、换热评价和温度分布评价三种评价指标构成工程评价体系。前者决定了全系统的阻力损失的大小，后两者表征了相对冷却效果和热应力水平的高低。应用该评价体系对某型发动机的实际涡轮盘腔冷却结构进行了评价，以实验方法研究了旋转雷诺数、冷气雷诺数、哥拉晓夫数和三种评价指标间的函数关系，为涡轮盘腔的冷却系统优化设计提供了优化目标。

高位垂直进气转静系旋转盘腔流场的实验

利用粒子图像测速技术(简称PIV)对高位垂直进气的转静系旋转盘腔流场进行了实验研究.该盘腔由一个旋转盘、一个静止盘及静止的外围盘罩组成.实验结果表明:PIV粒子成像技术可以应用于旋转盘腔结构的流场测试,在本实验的工况范围内,大部分区域的流动已为湍流,两盘间的流动结构明显具有Batch-elor流型的特点,转盘和静盘两个表面附近形成各自独立的边界层,两边界层之间有一个旋转核心,核心区内旋流系数β比大间隙封闭系统湍流流动时旋流系数的值0.43要小.流量系数和旋转雷诺数的变化对旋流系数β的影响较小,但转静间隙的变化对β的影响较为显著.

旋转盘腔瞬态响应特性的研究

为保证发动机在飞行包线内正常运转,需研究旋转盘腔的瞬态响应特性。采用1-D模型方法和计算流体力学(CFD方法对旋转盘腔进口压力突升的情况进行非稳态数值计算,所得结果与文献中的结果进行对比,提出1-D模型方法的一些缺点,并证明了CFD计算的正确性。然后用CFD方法并通过用户自定义函数(UDF编程研究了进口压力渐增、正弦变化以及盘腔尺寸对旋转盘腔流动瞬态响应特性的影响。结果表明:1-D模型的计算结果不能显示出CFD模型计算结果的一个高阶震荡;进口压力以不同方式变化,瞬态响应存在不同程度的滞后;进口压力突增和进口压力渐增响应的特征时间比进口压力正弦变化的特征时间分别增加56.0%和106.4%盘腔宽径比由0.2变化到0.39时,腔内均压变高,出口质量流量变低,特征响应时间缩短至40%当宽径比由0.2变化到0.58时,特征响应时间缩短至25%。

带有微型涡轮的旋转盘腔局部换热特性

对带有微型涡轮的转-转系涡轮盘腔进行了换热试验。微型涡轮的主要作用是使冷气通过上游涡轮盘的反旋喷嘴推动涡轮盘转动,从而降低气流的总焓,同时改变气流的旋转速度,形成更好的冷却环境。试验采用热膜加热、热电偶测温和遥测仪采集数据的方法进行,上下游转盘同时加热。试验结果表明:随着无量纲质量流量、旋转雷诺数和浮升力的增大,努赛尔特数增大,换热效果增强。这为进一步的数值计算和优化提供了依据。

嵌入旋转气腔式水稻穴直播排种器设计与试验

针对气吸式排种器气压利用不充分、种盘旋转与橡胶垫存在摩擦、穴播均匀性差等问题,设计了一种嵌入旋转气腔式水稻穴直播排种器。基于ANSYS软件对腔体内部流场进行模拟仿真,以吸孔孔径和吸孔位置分布为影响因素、以气腔压力平均值和吸孔处的平均流速为评价指标进行数值模拟仿真研究。仿真结果表明:气腔流场分布比较稳定,可为吸种提供稳定的负压环境。应用JPS-12试验台进行试验验证,以气腔转速、负压和填种高度为影响因素,以播种合格率、漏播率和重播率为评价指标,进行三因素五水平二次正交旋转组合试验,运用Design-Expert 8.0.6对数据完成方差分析和显著性检验,得到回归方程和响应曲面图,通过分析各因素间的交互作用,确定了最佳参数组合:当气腔转速为21.61 r/min、气腔负压为4.4 kPa、填种高度为15.7 cm时,作业性能最好,此时播种合格率93.6%,漏播率3.47%,重播率2.93%。试验结果与优化结果相符,满足粳稻穴直播要求。

动盘带预旋喷嘴的旋转盘腔内流场的相似分析与数值模拟

采用 K -ε湍流模型对带有预旋的新型旋转盘腔内的流动进行相似分析和数值计算。分析了预旋系数βr 对某一复杂旋转盘腔流场的影响 ,在旋转盘的计算中提出了一种新的网格剖分方法 ,计算的旋转雷诺数达到 2 .2× 1 0 7。定义了一个新的压力系数 Cp ,给出了扭矩系数和压力系数随旋转雷诺数变化的关系式 。

旋转涡轮盘腔中等转速下内部流场分布实验

通过实验对中等转速下带有微型涡轮(反预旋喷嘴)的旋转涡轮盘腔内流动特性进行了系统研究。研究了不同转速下不同轴向位置(6个轴向位置)时旋转盘腔内部流场的分布规律。研究结果表明,较低转速下,进气惯性力主要控制流场内部结构,过渡转速下,进气惯性力和旋转效应同时控制流场结构,较高转速下,旋转效应主要控制流场结构。同时得到了流场内部切向速度、径向速度、轴向速度及压力分布规律。

轴向通流旋转盘腔中流动与传热数值研究

本文采用三维N-S非定常计算方法对旋转盘腔中的流动与传热进行了数值研究。数值计算结果表明:下游盘的Nu数径向分布与实验结果吻合较好,上游盘趋势吻合但数值上有一定差别;旋转盘腔中流体的整体转动速度小于旋转圆盘的转动速度。进一步计算结果表明,重力的影响大小与整体流态转速相对坐标系转速的比值密切相关,该相对转速越大影响越小,反之越大。

轴向通流旋转盘腔内类Rayleigh-Benard对流稳定性研究

利用数值模拟的方法对冷气轴向通流旋转盘腔的流动过程进行了研究。研究发现 ,对应一进口冷气的雷诺数 ,存在一临界瑞利数 ( Rac) ,高于该瑞利数 ( Ra) ,流动出现不稳定现象 ,且 Ra越大 ,不稳定行为越严重。对于特例 ,盘腔内的流动可以看成是由类 Rayleigh-Benard对流和强迫对流两个区域构成 ,两个区域通过能量和质量交换相互影响 ,流动随着 Ra的增加从稳态发展为非稳态 ;采用频谱图分析的方法对数值解的不稳定性进行定性分析 ,结果显示随着 Ra的增大 ,数值解经历了从稳定解到分贫的周期性不稳定和准周期不稳定的发展过程。离心浮升力引起的类 Rayleigh-Benard对流是造成流动从稳定到不稳定发展的重要原因 。

旋转盘腔紊流流动的数值研究

为了比较近壁紊流模型对旋转盘腔内流动特征模拟精度的影响,采用在核心区选用标准k-ε模型、在近壁区选用单方程和Launder-Sharma两方程两种低雷诺数模型的区域紊流模化方法,对具有径向出流的转—静盘腔和具有径向出流的共转盘腔结构的流动进行了数值计算研究。计算结果表明:在计算的两个算例中,前者采用近壁单方程模型要稍优于两方程模型,后者采用近壁两方程模型要明显优于单方程模型,因此近壁区紊流特性的处理对旋转盘腔内的流场模拟精度具有重要的影响。

带旋转孔容腔瞬态演化与建模方法研究

旋转孔与腔组成的孔腔系统为航空发动机空气系统的重要组成部分,其瞬态响应过程可能诱发短时危险过渡态载荷。为研究旋转孔腔的瞬态演化规律,以旋转孔前的容腔为研究重点,建立了带旋转孔的容腔CFD计算模型,分析了孔腔系统的瞬态演化过程,并基于旋转孔的稳态流动特性建立了带旋转孔容腔的瞬态1-D模型,对瞬态演化过程进行了仿真。通过对比瞬态1-D模型的结果和CFD结果,发现采用前者能基本模拟容腔的瞬态演化过程,基本满足工程需要,并完成了瞬态1-D模型结果产生偏差的原因分析。

旋转盘腔去旋系统数值模拟

对带有管式减涡器的盘腔内流动特性进行数值模拟,研究了减涡管的长度、管径和引气鼓筒孔的外形及尺寸,对盘腔内压力损失、流动结构的影响。计算结果表明:管式减涡器对于降低引气气流的压力损失有显著作用,存在最佳的减涡管长度使得引气的压力损失最小;减涡管管径、鼓筒孔面积增大都会减少流动损失;在鼓筒孔面积一定的情况下,长圆形鼓筒孔的性能比圆形鼓筒孔的更优。

一种旋转圆盘腔内油滴运动特性研究

通过研究航空发动机环下供油轴承腔拓扑结构,建立了较为简化的拟轴承腔结构-旋转圆盘腔结构,并基于此进行了腔内油滴运动特性的研究。研究中首先获得了腔内气相介质流场特性,然后在考虑气相阻力、油滴自身重力对油滴运动特性的影响下,采用Lagrangian方法建立气相介质流场中油滴运动方程,获得了不同油滴直径以及圆盘转速变化对油滴运动过程中的速度和轨迹影响的规律。分析结果表明:不同圆盘转速对油滴运动过程中的速度和轨迹都有很大的影响;相同转速下直径较小油滴速度、轨迹的受到气相流场的影响比直径较大油滴所受影响更为显著。且油滴自身重力对不同直径下油滴的运动运动轨迹亦有影响。

旋转盘腔盘缘热流密度的敏感性分析

为保证涡轮盘满足适航规章的安全性要求,采用单向流固耦合数值方法,研究了转静系旋转盘腔以基比切夫数表示的盘缘加热热流密度的变化对冷却效果的影响,并依据旋转盘腔冷却问题的工程评价体系对旋转盘腔的冷却效果进行评价。研究结果表明:基比切夫数的变化对于旋转盘腔的流动结构和流动阻力基本没有影响,对盘面的换热效果影响也较微弱,仅引起转盘迎风面热流密度和温度的改变。同时,温度分布的改变导致了与温度梯度紧密相关的热应力水平发生变化。随着热流密度的增加,转盘整体应力水平上升,并且盘缘附近区域的等效应力提高的幅度大于中心区域。当基比切夫数高于临界值后,最大等效应力值从转盘中心转移到盘缘。基比切夫数的变化能够从部件承受能力和实际使用载荷两方面对涡轮盘的失效概率产生较大影响,因此,在涡轮盘腔的设计阶段,需要考虑基比切夫数对涡轮盘安全性的影响。

径向进气轴向出流旋转盘腔总压损失特性研究

在径向进气轴向出流的旋转盘腔中,在哥氏力的影响下,流体速度的切向分量和流体的总压损失均增大,用数值计算方法研究其损失特性缺乏验证。采用试验方法研究了径向进气轴向出流旋转盘腔的压力损失特性,测试了不同工况下的旋转盘腔的进、出口总压,分析了流量系数和旋转雷诺数对径向进气旋转盘腔总压损失的影响规律。试验结果表明:旋转盘腔的总压损失随旋转雷诺数的增大而增大。随流量系数的变化规律较复杂,在较小旋转雷诺数下,总压损失随流量系数的增大而增大;在较大旋转雷诺数下,总压损失随流量系数的增大先减小后增大。