航空发动机进气试验台畸变数值模拟研究

为了实现对发动机吸入高温燃气现象进行模拟,本文介绍了航空发动机进气温度畸变模拟装置,主要从设备原理、设备组成、设备仿真验证等方面进行说明,通过数值模拟手段对模拟装置的指标进行验证,验证了该装置主、辅喷口在不同流量、温度下,气动参数测量截面(aerodynamic interface plane,AIP)温度分布以及温度畸变强度等指标,主喷口在喷射热流温度550 K、流量20 kg/s下,温度畸变强度可达24.29%;辅助喷口在喷射热流温度450 K、流量20 kg/s下,温度畸变强度可达18.06%,从而对不同喷口位置下AIP截面高温区分布变化进行了验证。通过改变管路喷射流量速率可改变AIP截面的温升速率,证明了该温度畸变模拟装置具有一定的温度畸变指标实现能力和可调节性,可实现对外场现象的复现。

某单级压气机对组合畸变响应特性的数值模拟

发动机压缩系统的气动稳定性主要取决于飞行时发动机抗畸变的能力。畸变主要来自发动机进口的总压、总温及其组合畸变。它们在数量关系上不确定,在地面又很难模拟实现。采用数值计算方法,从理论上定量地研究组合畸变在压气机中的响应特性,通过建立某单级压气机三维模型,并采用无限叶片假设和用体积力模化叶栅特性的方法进行简化求解三维非定常欧拉方程,研究了总压与总温的组合畸变在某单级压气机中的传递过程。计算结果表明:组合畸变经过转子时总压畸变强度和总温畸变强度明显大于单独作用时的畸变强度,分别增大了13%和13.5%,但畸变范围基本没有变化。

进气总温畸变在压气机中的数值模拟

为了研究进气总温畸变在压气机中的传递特性,建立了压缩系统的几何模型,通过求解非稳态三维欧拉控制方程,计算了气流参数在压气机各截面的分布,获得了一种计算进气总温畸变的方法。以某三级压气机为例,对模型的有效性进行了验证。在进口存在周向总温畸变的情况下,计算得到了总压、静压、总温、静温和流量系数在各截面上的分布规律,得出了该三级压气机对总温畸变的响应。

进口导流叶排角度对轴流压气机总压畸变的影响

对某三级轴流压气机,利用三维欧拉方程建立模型,采用体积力法进行计算仿真。研究分析IGV(进口导流叶排)对压气机进气畸变的影响,以及设计转速状态下改善畸变效果最好的IGV角度。计算结果表明:IGV可以有效改善流场品质,使压气机各截面的畸变参数都有所减小,例如三级转子进口的畸变角度降低了21.4%,畸变强度降低了10.2%;IGV起到了很好的整流作用,表现出了显著的减小畸变程度的能力;随着IGV角度的增加,畸变强度随之降低,当IGV角度达到临界值后畸变强度反而开始增大;设计转速下,IGV临界角度为45°左右,在此角度下改善畸变的效果最好。

利用欧拉方程计算进气畸变在压气机内传递特性的方法研究

介绍了一种计算进气畸变的方法。通过求解非稳态情况下的三维欧拉方程,计算压气机各截面气流参数分布,从而了解进气畸变在压气机各截面的传递特性。以Stage35单级压气机为例,比较了计算得到的压气机特性线和试验得到的特性线,验证了模型的有效性。进行了周向总压和总温畸变的计算,得出了畸变在压气机内的传递特性。

总压进口畸变与失速裕度相互关联非定常特征的数值模拟

本文采用数值模拟方法对方波形式的总压进口畸变的强度系数 DC(60)和轴流压气机的特性曲线进行二维数值模拟。对不同流量下不同强度的总压畸变的强度系数进行了比较,并通过改变出口背压得到不同畸变强度下压气机的特性曲线和失速点。

飞机尾喷流对舰面温度场影响仿真分析

本文针对舰载飞机舰面起飞过程中,尾喷流冲击偏流板形成的回流温度场和偏流板板后的温升情况开展了仿真计算和参数影响规律研究。首先,设计了一个双发大推力的舰载机模型,并通过与台架试验结果对比,验证了采用k-ε湍流模型的计算流体力学方法对喷流速度场和回流速度场模拟的准确性。然后,通过控制变量方法研究了喷管轴线角度、喷管间距、喷管扩张比对进气道出口温度畸变强度和偏流板后温度场的影响规律,发现适当增加喷管轴线上翘角度或增加喷管间距可以有效抑制进气道吸入高温回流、降低板后舰面温度场极值,当双发喷管间距增加到3倍喷管喉道直径时,进气道出口温升几乎为0。最后,从偏流板的改进设计出发,在不增加舰面额外设备的前提下,研究了偏流板表面横向开槽对偏流板引射能力的影响,结果表明偏流板表面横向开槽可以增强尾喷流的周向引射能力,有效降低回流温度场的强度。

总压畸变在三级轴流压气机中的传递性能研究

介绍了一种计算进气畸变的方法.通过求解非稳态三维欧拉方程,计算压气机各截面气流参数分布.以74A三级压气机为例,进行了周向总压畸变传递特性计算,得到了压气机进口存在总压畸变时总压、静压、总温和流量系数在各截面上的分布规律,得出了畸变强度、畸变范围和畸变位置在轴向上的分布规律.

周向畸变条件下压气机失速先兆分布特征

在低速单转子轴流压气机实验台上开展了周向插板式畸变实验研究,通过安装在叶顶前缘的动态压力传感器和转子出口的梳状五孔探针获取不同插板高度下畸变进气失速特性,结合实验及数值模拟,并采用时域分析法和一维连续小波方法对失速先兆传播特性及失速先兆尺度进行了分析。研究结果表明,失速先兆总是在叶顶前缘位置首先出现,然后由叶顶前缘沿轴向传播至转子出口叶顶位置,之后沿径向传播由叶顶向叶根发展直至失速团占据整个径向叶高。同时,随着畸变强度增加,失速先兆传播速度逐渐增加,且尺度不断增大,从突尖型失速先兆变为长尺度型失速先兆。

进气旋流畸变对压气机性能的影响

为研究进气旋流畸变对压气机性能影响,在单级轴流压气机试验台上加装旋流发生器.利用所设计的旋流发生器,产生不同旋转方向及不同强度的整涡旋流畸变和对涡旋流畸变,分析其对压气机性能、稳定性的影响.结果表明:在一定旋流畸变强度下,正向整涡旋流畸变会减小压气机增压能力,但增加压气机稳定裕度;相比之下,反向整涡旋流畸变对压气机增压能力影响较小,但对稳定性有显著影响.对涡旋流畸变对于压气机的增压能力影响较小,可以忽略不计,对压气机稳定性有一定的影响.

插板进气畸变与压气机的耦合数值模拟

为了探索进气道/发动机一体化设计方法,发展了一种压气机与进气畸变耦合计算的方法.首先从压气机基准流场雷诺平均Navier-Stokes(RANS)仿真结果中提取压气机叶片对气流的作用力,建立压气机全通道体积力模型.再将压气机体积力模型加入到流体计算软件CFX中,实现插板进气畸变与压气机的耦合计算.与实验结果对比表明:压气机体积力模型能有效模拟压气机与上游畸变流场的耦合作用,相比传统的全通道RANS计算能减少近2个数量级的计算网格数.

舰面飞机尾喷流对进气道温度场影响的仿真分析

舰载机在加力起飞时通过舰面安装的偏流板将高温尾喷流引向空中排出,避免了高温尾喷流损伤舰面工作人员和舰载设备,但一部分高温尾喷流与偏流板碰撞后的回流受发动机抽吸作用的影响,容易被进气道吸入,导致发动机推力降低,严重时诱发发动机喘振,危害舰载机的使用安全。为了获得高温尾喷流与偏流板碰撞后的回流场流动机理以及参数影响规律,采用数值仿真分析方法开展了研究。首先,通过公开的试验数据验证了仿真分析方法的准确性;然后,完成了舰面环境下某型舰载机双发尾喷流冲击偏流板后的流动机理和温度场特征分析,获得了高温气体被进气道吸入的动态流动特性和进气道出口的温升率;最后,通过研究发动机转速不对称、来流风速、尾喷口到偏流板距离等参数对进气道出口温度畸变强度的影响规律,获得了尾喷口到偏流板的距离对回流场整体强度与分布起决定作用,以及进气口的位置影响进气道抽吸流场与回流场的耦合特性这一结论。