波瓣尾缘切角对涡扇发动机混合排气系统气动热力性能影响

为了获得尾缘切角对涡扇发动机波瓣强迫混合排气系统的流场、热混合效率、总压恢复系数以及推力系数的影响,以涡扇发动机波瓣强迫混合排气系统为研究对象,采用基于Navier-Stokes方程的三维数值模拟方法对不同波瓣尾缘切角模型进行了计算并得到了气动热力性能的影响规律。结果表明:较大的尾缘切角造成在尾缘截面前主次流更早的提前混合,使流向涡的产生和发展在位置上向上游提前,以至于在尾缘截面之后的一定范围内混合效率更高。但大尾缘切角同时也造成较大的能量损失,以至于总压恢复系数较小,总的混合效率偏低:相比0°切角,25°切角的总压恢复系数减小了0.34%,热混合效率减小了11%。适当的尾缘切角修形可以增大推力系数。

波瓣帽罩结构和脊线对混合排气系统性能影响

为了明确波瓣帽罩结构和不同脊线形状对混合排气系统气动热力性能的影响,采用基于Navier-Stokes方程组的三维数值模拟方法对含帽罩结构以及脊线发生变化的4个波瓣混合器模型进行了定量研究,并将研究结果同原始波瓣混合器模型进行了对比。结果表明,帽罩结构能改善波瓣周围的流场,减小由于扩张角过大所导致的边界层分离,从而缩小流动损失;波瓣脊线形状的改变虽然能改变波瓣混合器附近的流场,从而减小流动损失,提高总压回复系数,但与此同时,脊线的改变也会影响主、次流间的混合,降低热混合效率。同原型相比,改变波瓣脊线加入帽罩结构后,研究的波瓣混合器总压恢复系数的最大增幅为1%,而热混合效率的最大降幅却为11%。

基于响应面模型的波瓣混合排气系统近似模型研究

基于Navier-Stokes方程组对涡扇发动机波瓣强迫混合排气系统进行了数值模拟,获得了波瓣尾缘位置内、外涵流通面积与内、外涵入口位置流道截面积相等时,不同波瓣高宽比对波瓣混合排气系统性能参数以及结构参数的影响规律。并以此为基础,采用不同阶数的多项式响应面模型建立了波瓣性能参数随高宽比变化的近似模型。在多项式响应面模型拟合精度方面,相对于二阶、三阶多项式响应面模型,四阶多项式响应面模型能够较好地反映出热混合效率、总压恢复系数、排气系统相对推力、波瓣混合器相对质量随波瓣高宽比的变化规律,其拟合结果与数值仿真结果也相差极小。在波瓣高宽比对混合排气系统性能影响方面,在混合排气系统出口截面处,随着波瓣高宽比的增加,热混合效率在"波浪状"的变化规律中整体呈现出"增大-减小"发展趋势,总压恢复系数则呈现出"缓慢增加-迅速降低-增加-迅速下降"的复杂变化趋势;在排气系统相对推力方面,当高宽比大于3时,虽然相对推力呈现出波浪形的变化趋势,但变化值极小;对于波瓣混合器的相对质量,随着高宽比的增加,波瓣混合器的相对质量逐渐增大。

波瓣凹扇修形对波瓣强迫混合排气系统性能影响

依据某型涡扇发动机波瓣强迫混合排气系统结构,保持波瓣数以及波瓣几何参数不变,改变波瓣尾缘的凹扇修形程度,从而获得一组除凹扇修形程度不同其余几何参数均相同的波瓣几何模型。对该涡扇发动机波瓣强迫混合排气系统采用三维CFD模拟的方法,得到了凹扇修形对涡扇发动机波瓣强迫混合排气系统气动热力性能的影响规律。研究结果表明:在波瓣尾缘以及混合排气系统出口,随着凹扇修形程度的变大,热混合效率均呈现出上升的趋势;而总压恢复系数则均逐渐地减小。在混合排气系统出口,推力混合效率随凹扇修形程度的变大而上升,与没有凹扇修形的模型相比,研究的凹扇修形模型的推力混合效率最大增加了39.33%。此外,随着流向涡沿轴向发展,波瓣凹扇修形对热混合效率的影响逐渐减弱。

吊挂系统对波瓣混合排气系统气动热力性能影响

为了明确短舱中吊挂系统的堵塞效应对波瓣混合排气系统气动热力性能的影响,采用数值模拟的方法对包含吊挂的混合排气系统进行了定量研究。研究结果表明,受吊挂系统的影响,在波瓣混合排气系统混合段内,存在着一大尺度的回流区,其作用范围随吊挂长度的增加而增加。在性能参数方面,与未考虑吊挂系统时相比,考虑吊挂之后,虽然混合排气系统出口处热混合效率以及推力系数下降很小,最大降幅仅分别为0.017和0.01,但总压恢复系数却显著下降,最大降幅达到了0.03。此外,随着吊挂系统长度的变化,排气系统出口处的热混合效率、总压恢复系数以及推力系数变化幅度小于0.01,变化很小。

应用于混合排气涡扇发动机建模的容积法改进

使用容积法建立混合排气涡扇发动机模型需要选取容积与转子来计算发动机的状态量,为压气机及涡轮部件的特性图插值与计算提供输入数据。旧的容积选取模式需要通过近似计算步骤间接得到混合室入口内涵气流的状态量,降低了模型的精确度。提出了一种新的低压涡轮后容积的选取方式,可以直接计算混合室入口内涵气流的状态量,提高了模型的精确度。以基准模型为参照的仿真验证显示,将旧的容积选取方式更换为新的容积选取方式使得模型的仿真误差从10-2等级下降到10-6等级。

基于响应面法的混合排气涡扇发动机喷管特性研究

以某型混合排气涡扇发动机为研究对象,建立了其喷管特性的可靠数值计算模型。利用响应面法中的响应面设计法(BBD)对影响喷管系数的飞行高度、飞行马赫数、内外涵总压比、总温比等因素进行了试验设计,并采用二次多项式构造了推力系数及流量系数的响应面模型。通过典型算例验证,推力系数与流量系数响应面模型的相对误差均在2%之内,满足工程试飞的精度要求,表明可以利用该模型进行实际飞行中喷管系数的预测。

某型混合排气涡扇发动机喷管特性计算方法研究

针对某型混合排气涡扇发动机,建立了其喷管特性的数值计算模型,并利用地面台架试验数据对该模型的可靠性进行了验证,流量系数与推力系数数值计算结果与台架试验结果最大偏差分别为0.97%和0.54%。提出了假想面积系数法,将混排发动机喷管进行了转化,建立了混排喷管理想推力与理想流量的可行性计算方法。在此计算方法基础上,通过数值计算得到了该型混排发动机喷管的流量系数与推力系数,并研究了其基本规律,比较了其与分排发动机喷管特性计算的不同,为该型发动机后续型号试飞中飞行推力的确定提供了技术基础。

环形混合器混合排气系统气动形面的优化设计

以B样条曲线为基础、采用计算流体力学方法,并结合改进的粒子群优化算法,提出了一套环形混合排气系统喷管型线与环形混合器径向位置的一体化优化设计方法,并采用该方法对某型使用中的环形混合器混合排气系统进行了优化设计.优化结果表明,较之原始模型,优化后的环形混合器混合排气系统在流量分配方面与设计值更为接近,涵道比的误差为2.8%.气动性能方面,设计条件下,优化模型推力为原始模型的1.061倍,总压恢复系数则提升至0.995;在非设计条件下,优化模型的总压恢复系数较原始模型提高了0.7%和0.4%,推力较原始模型提高了1.2%和2.7%.

混合排气涡扇发动机外内涵混合面积变化对整机性能的影响

本文通过数值计算方法,研究了外内涵混合面积变化对混合排气涡扇发动机整机性能参数影响,总结了性能参数变化特点,对变化原因进行了分析。指出外内涵混合面积如按照特定规律在一定范围内同时变化,发动机整机匹配不发生变化。本文研究将有助于提高设计人员对发动机整机匹配的认识,对发动机性能分析及优化调试具有指导作用。

尾缘锯齿修形对波瓣强迫混合排气系统性能影响

针对某涡扇发动机波瓣强迫混合排气系统建立了尾缘锯齿修形流场数值计算模型,通过三维数值模拟研究,得到了不同尾缘锯齿修形波瓣强迫混合排气系统流场的演变规律和热混合效率、总压恢复系数的变化规律.结果表明:在强迫混合排气系统出口截面处,热混合效率随修形量的增加而增大,总压恢复系数随修形量的增加而减少.1个三角形(1-SJ)锯齿修形模型的热混合效率最大,达到79.73%;2个梯形修形(2-TX)的综合效果最优,其热混合效率达到77.50%,总压恢复系数比1-SJ高出0.5%.

涡扇发动机轴对称分开和混合排气系统红外辐射特征的对比

用数值模拟的方法对比研究了涡扇发动机轴对称分开和混合排气系统的红外辐射特征.排气系统的流场采用商业软件进行模拟,红外辐射特征采用根据反向蒙特卡洛法自主开发的软件进行计算,计算分析了两种排气系统在3～5μm波段红外辐射的空间分布以及喷管内不同固体部件在探测方向上的辐射贡献.在红外辐射特征计算过程中,考虑了喷管内壁的发射和反射以及燃气组分二氧化碳、水和一氧化碳的吸收-发射等影响.结果表明:两种排气系统红外辐射的空间分布特性不同;混合排气喷管的积分辐射强度在方位角为0°～10°时大于分开排气喷管,在其他方位角范围内均小于分开排气喷管.

瓣高宽比对波瓣强迫混合排气系统性能影响

以某涡扇发动机波瓣强迫混合排气系统为研究对象,在波瓣数以及波瓣长度不变的情况下,分别固定波瓣宽度改变波瓣高度和固定波瓣高度改变波瓣宽度,得到了一系列不同波瓣高宽比的几何模型,并对其进行了三维数值模拟研究,获得了不同高宽比对波瓣混合器流场、热混合效率和总压恢复系数的影响规律.结果表明：在混合器出口处,当高宽比在2~5范围内变化时,热混合效率在波瓣宽度和高度分别不变时,随高宽比的增加,分别呈现出不断增大以及不断减小的趋势;当宽度不变时,总压恢复系数随高宽比的增大而减小,当高度不变时,总压恢复系数随高宽比的增大而增大.

进气预旋对环形混合器混合排气系统气动热力性能的影响

为了明确混合排气系统内涵进气预旋角对环形混合器混合排气系统气动热力性能的影响,采用基于Navier-Stokes方程组的三维流场数值仿真方法对某环形混合器混合排气系统在不同进气预旋角工况下的流场进行了分析,并将结果同轴向进气的情况进行了对比.结果表明:内、外涵之间剪切层的厚度以及剪切层的扭曲程度随进气预旋角的增加而增大.在环形混合器混合排气系统出口处,随着进气预旋角的增加,热混合效率小幅升高,其中30°进气预旋角模型热混合效率为轴向进气模型的1.36倍;总压恢复系数和环形混合器混合排气系统推力逐渐降低,较轴向进气模型,30°进气预旋角模型总压恢复系数降低了0.003 4,而相对推力下降了0.081.

加力式双转子混合排气涡扇发动机全状态数学建模技术

根据部件法建立了加力式双转子混合排气涡扇发动机全包线稳态数学模型.基于该模型,利用容积动力学原理,建立了起动数学模型.将该原理扩展到慢车状态以上,建立了包括起动、加减速、开关加力、停车等完整过程的全状态动态数学模型.以此为基础,给出了加力式双转子混合排气涡扇发动机在飞行包线内的高度特性.根据加力式双转子混合排气涡扇发动机原理,设计了简单的起动调节规律、加减速调节规律、加力调节规律及停车调节规律;计算了海平面标准大气条件下的从起动、加减速、开关加力、停车的完整动态过程.理论分析与仿真结果表明:该建模方法能够正确完成加力式双转子混合排气涡扇发动机的全包线的稳态计算和全状态动态计算,准确反映了该发动机在整个飞行包线内的全部工作过程.

中心锥对波瓣强迫混合排气系统气动热力性能的影响

在波瓣混合器几何结构不变的情况下,通过分别改变波瓣出口截面处中心锥半径以及波瓣长度建立了一系列几何模型,并采用数值模拟的方法,研究了中心锥关键结构参数对涡扇发动机波瓣混合排气系统气动热力性能的影响规律.结果表明:当中心锥长度不变时,随着波瓣出口处中心锥半径的增加,热混合效率先增加后减小,其中当波瓣出口处中心锥半径为0.55倍波瓣高度时,波瓣混合排气系统出口处热混合效率最大.此外,当中心锥长度不变时,波瓣混合排气系统总压恢复系数大体上不断减小;排气系统出口处推力系数则呈现出先增大后迅速减小.当波瓣出口处中心锥半径不变时,随着中心锥长度的增加,热混合效率和总压恢复系数变化极小,在排气系统出口处,推力系数则先迅速增大后略有降低.

轴对称分开排气喷管改混合排气喷管设计方法

为将涡扇发动机轴对称分开排气喷管改型设计为混合排气喷管以获取混合推力增益且改变其红外辐射(IR)特征,提出了一套基于CFD数值计算评估的轴对称分开排气喷管改型设计方法。研究结果包括:(1)提出了内、外涵气流不同程度掺混时推力的估算方法,估算值与真实值的误差在所研究参数范围内不超过0.005;(2)分析了内、外涵气流掺混对改型设计的影响,喷管外涵气流与内涵气流的总压比在0.8~1.5之间且掺混度大于0.1时混合排气最有可能产生推力增益,且掺混越好,增益越高;(3)轴对称分开排气喷管改型设计为带环形混合器的混合排气喷管后,推力系数增加0.008 7~0.012 6,而采用波瓣混合器时喷管的推力系数则增加0.028 9;(4)相比于分开排气,混合排气喷管在0°~15°方向上的红外辐射强度有所增加,但在其他所有方位角上均大幅下降,最大降幅为77.5%。

涡扇发动机菊花型排气混合器的初步选型试验研究

在常压、低速排气引射条件下,以环型混合器为基准,对五个不同的菊花型混合器进行了冷态对比试验,研究了菊花瓣出口角度、菊花瓣穿透率、相对混合长度和内外涵气流速度比等对菊花型混合器气动性能(包括排气噪声特性)的影响。试验表明,虽然不能对实际发动机菊花型排气混合器的气动性能给出确切的定量数据,但是能定性地判断各个混合器的优劣,即菊花型排气混合器排气的综合气动性能明显优于环型混合器,12个菊花瓣、穿透率为0.76、菊花瓣出口角α/β=15°/25°的菊花型混合器在0.8左右的相对混合长度下应是初选的最佳结构方案。

矩形主喷管带小突片的排气引射混合系统的试验研究

通过对安装在矩形主喷管出口端的 4组不同面积和顶角的三角形小突片的对比试验 ,初步研究了小突片的片数、面积 (或堵塞比 )、形状和安装角度等结构参数对排气引射混合系统的气动性能的影响。试验结果表明 ,小突片的应用虽然增加系统的压力损失系数 ,但它明显地使系统的引射系数增加、混合均匀性改善 。

基于自由变形技术的混合排气喷管气动优化设计

以内外涵混合排气喷管为研究对象,建立了控制体与喷管网格模型的映射关系,通过控制点运动实现了喷管内、外涵双层壁面与网格同步、大曲率变形,并应用优化拉丁超立方设计(OLDH)方法创建了实验样本点。在此基础上,利用Isight软件驱动网格自由变形(FFD)模块和CFD仿真模块完成了所有样本点计算。结果表明:通过优选设计仿真结果,喷管推力系数提高0.6%,总压损失降低0.6%。对优选造型采用多段线+圆弧的方式进行了几何特征提取,获得的参数化造型与优选造型性能接近,具有一定的工程实用价值。