直升机整体式惯性粒子分离器研究现状

整体式惯性粒子分离器是一种直升机进气防护装置,其性能优异、应用广泛,对于保护直升机发动机、延长其使用寿命具有重要意义。本文从4个方面对整体式惯性粒子分离器的研究现状进行归纳总结,包括:总结了现有直升机进气防护装置的类型及相关气动参数,梳理了整体式惯性粒子分离器现有的研究方法及取得的相关成果,分析了影响整体式惯性粒子分离器工作性能的因素,并展望了整体式惯性粒子分离器未来的发展方向。研究成果可为今后开展整体式惯性粒子分离器研究及优化设计提供一定参考。

粒子分离器涡流叶片鸟撞击损伤试验

研究粒子分离器涡流叶片受鸟撞击损伤规律,提高粒子分离器抗外物损伤设计能力.通过外物冲击损伤试验方法,研究了模拟鸟撞击粒子分离器涡流叶片的过程.采用瞬态响应测试系统,获得了模拟鸟撞击涡流叶片的应变-时间历程.对采集到的曲线和数据进行了分析.利用三坐标测量仪,测得撞击前后涡流叶片叶型;经过比较计算,得到了涡流叶片的变形.模拟鸟以Ma=0.2速度撞击涡流叶片时,涡流叶片产生了塑性应变,变形很大.

直升机粒子分离器三维两相流场的数值模拟

本文以某型直升机粒子分离器为研究对象 ,在三维非正交曲线坐标系下计算湍流分叉流动和砂粒运动 ,结合边界条件特殊处理 ,采用分块计算来考虑叶片对流场的影响 ,首次对有叶片粒子分离器三维两相流动进行了数值模拟。

粒子分离器气动特性数值研究

本文利用张量分析建立了三维贴体坐标系上的通用输运方程；采用贴体网格计算了粒子分离器二相流的三维流场；建立了三维的粒子运动轨迹微分方程，理论上分析了粒子分离器结构设计对其性能的影响，与试验结果吻合较好。

粒子分离器叶片涂层冲蚀磨损的数值模拟

以叶片涂层为对象,研究其冲蚀过程中损伤的演化过程.首先进行了流场计算.其次通过对单个固体颗粒冲蚀过程的模拟,提出了"碰撞有效影响区域"的概念,使得多个固体颗粒连续冲蚀数值模拟得以实现.接下来通过模拟"碰撞有效影响区域"内材料受到固体颗粒连续冲蚀的过程获得材料的抗冲蚀磨损性能.最后,将流场数据和涂层抗冲蚀磨损性能参数相结合来模拟叶片涂层的冲蚀过程,指出了涂层的薄弱区域并进行了寿命预测.

多区域多重网格法在直升机粒子分离器中的应用

首次将多区域多重网格法用在一般曲线坐标系下交错网格布局的 SIMPLEC算法中 ,在直升机粒子分离器这类独特结构中的成功应用 ,突破多重网格方法在多连通域中运用的局限性 ,使复杂问题变得简单。结果表明 ,它不仅能加快流场求解的收敛速度 ,而且还能提高计算精度。

粒子分离器涡形叶片金属块撞击损伤研究

研究粒子分离器涡形叶片受外物冲击损伤的规律,提高粒子分离器抗外物损伤设计能力,降低外物对航空涡轮轴发动机安全运行的影响。以冲击动力学为基础,通过冲击损伤试验方法,研究了金属块撞击粒子分离器涡形叶片的过程。采用瞬态响应测试系统,得到了金属块撞击涡形叶片的应变——时间历程;利用三坐标测量仪,获得了涡形叶片金属块撞击后的变形。对金属块撞击粒子分离器涡形叶片进行了数值仿真,对比分析了金属块撞击涡形叶片的试验结果与数值仿真结果。金属块(M6和M8螺栓)以0.2 Ma速度撞击涡形叶片时,涡形叶片的变形较小。

涡轴发动机无叶片粒子分离器流道设计

流道设计是粒子分离器设计的核心内容。本文介绍无叶片粒子分离器流道的设计原理、设计流程和设计方法,重点讨论了各结构元素的不同设计给粒子分离器的性能带来的影响,以及如何采用CFD数值模拟的手段对粒子分离器的两相流场进行计算分析,初步建立了基于两相流CFD分析的流道设计方法。最后,给出了按本文方法对某粒子分离器进行设计和结果分析,并对其粘性流场分析结果进行了说明。

整体式粒子分离器性能的试验研究

为了探索整体式进气粒子分离器(IPS)分离效率的变化规律,针对两种具有不同型面曲率的整体式粒子分离器的三维结构模型开展试验,重点研究了主流路流量、扫气比(SCR)、进口马赫数、进口砂粒浓度和分离器间距对粒子分离器性能的影响规律。实验结果表明:(1)对于不同粒径砂粒,两种模型分离效率均出现随着主流路流量增大而减小的趋势,其中在主流路流量相同的情况下,型面变化平缓的模型分离性能要优于型面变化剧烈的模型;(2)两种整体式粒子分离器模型的分离效率均随扫气比的增大呈现先增大后减小的变化,且这种规律与砂粒粒径无关;(3)随着进口马赫数的增大,两种整体式粒子分离器模型分离效率均仅出现小幅度减小,但在同一进口马赫数下,两种模型分离效率差异显著,最大达到6.54%;(4)采用C级砂时,可以认为粒子浓度对粒子分离器的分离效率没有影响;(5)当分离器轴向间距减小或径向偏离轴线间距减小时,粒子分离器模型的分离效率将出现不同幅度增大。

发动机入口粒子分离器流场数值模拟及流道改进

发动机入口粒子分离器设计要求在一定清除流量比情况下,分离效率高而流动损失小。本文针对不同入口雷诺数(2×105至9×105)、不同清除流量比(10%到20%)的入口粒子分离器进行了数值模拟与实验研究。通过细致分析不同截面上的速度场和总压损失系数Cp,显示在分离通道内存在明显的低速区域和涡结构,同时在该区域内的出现了大的流动分离。这一结果与实验测得的结构吻合。分析结果显示该分离区域导致了流动通道内部总压损失的增加,由此根据流线分布情况对该分离区域进行结构改进。改进后流动通道内的原分离位置的涡结构强度和空间尺度均大大减小,使在高雷诺数下分离器两个出口的总压损失都降低了30%以上,且通道主出口流动更均匀,同时给出了不同雷诺数下的总压损失,建立了Cp与入口雷诺数的函数关系。数值计算结果显示本文使用的流道改进方法使分离器形状获得改善,获得了更优的流动性能。根据数值模拟结果提出了入口粒子分离器的改进方案。

反弹特性对惯性粒子分离器效率的影响

为探究粒子反弹特性对发动机惯性粒子分离器分离性能的影响,采用商业软件Fluent研究在不同清除比、进口马赫数下切/法向恢复系数对粒子分离器分离性能的影响,以及切/法向恢复系数对分离效率的综合影响。结果表明:法向恢复系数为0.5时,随着切向恢复系数的增大,在不同进口马赫数和清除比下AC粗尘和C级砂的分离效率均先提高再逐渐稳定;法向恢复系数随进口马赫数的变化而改变,但不受清除比的影响;分离效率达到稳定值时,临界切/法向恢复系数受进口马赫数和颗粒粒径的影响较大。

粒子分离器鼓包柔性复合材料的本构模型研究

为了预测可变形粒子分离器鼓包复杂工况的力学行为,得到柔性帘线/橡胶复合材料结构的变形特性模型,基于连续介质力学的理论,建立了一种考虑帘线/橡胶之间剪切应变能的帘线/橡胶复合材料本构模型,通过ABAQUS的UANISOHYPER_INV接口编写各向异性超弹性材料的本构子程序,形成有效的帘线/橡胶复合材料的变形行为预测方法。结合橡胶材料Mooney—Rivilin本构模型,基于大变形不可压缩方法处理橡胶试验数据,运用最小二乘法拟合单轴拉伸试验数据,得到橡胶材料的参数C10=-0.27MPa与C01=1.12MPa;在橡胶超弹性本构的基础上,建立了帘线/橡胶复合材料的各向超弹性本构模型,并通过单轴拉伸试验拟合帘线和剪切应变能的参数;并进行单轴拉伸试验验证帘线/橡胶复合材料的各向超弹性本构模型。结果表明:拉伸变形量在20%内,数据吻合较好,进一步证明所建本构模型的准确性,为可变形粒子分离器鼓包有限元仿真分析奠定理论基础。

带整体式粒子分离器的涡轴发动机进口支板的三维积冰数值研究

整体式粒子分离器对涡轴发动机的气动乃至积冰都会有影响。为了获得涡轴发动机进口支板的积冰特性,以包含整体式粒子分离器的涡轴发动机进气机匣为模型,选取间断最大结冰条件,采用欧拉-欧拉法模拟了进气机匣内的空气-过冷水滴两相流场,并计算了支板表面的水滴撞击特性,再应用考虑水膜流动和蒸发的三维积冰模型对支板表面的积冰进行了模拟。计算结果表明,机匣进口的水滴有99.4%进入了扫气流道,而且结冰参数在支板前缘上游呈现出明显的周向不均匀性。对于主流道下游的4片支板,仅距离蜗壳起始位置最近的支板前缘局部受到显著的水滴撞击,最大水收集系数达到3.8,当积冰总时间为74s时,该支板表面最大积冰厚度约8mm,其余3片支板表面几乎没有水滴撞击和积冰现象。本文的研究结果可为考虑整体式粒子分离器影响的涡轴发动机进口支板的防冰设计提供依据。

整体式惯性粒子分离器雷达散射特性数值仿真

为了探究整体式惯性粒子分离器(IPS)的雷达散射特性,利用物理光学迭代法(IPO),编制了整体式粒子分离器的RCS计算程序,发展了一种改进的高效遮挡关系判断算法,并对程序的计算精度进行了校验。对不同雷达波长下,不同构型整体式粒子分离器的前向雷达散射特性进行了计算和分析比较。结果表明,随着雷达波长的增大,IPS的雷达散射面积减小;IPS分流器径向位置对重点方位角度范围内的雷达散射面积(RCS)有一定影响,并为改善IPS的雷达散射特性提供了参考依据。

惯性粒子分离器流场特性的PIV试验研究

惯性粒子分离器因具有流动损失小、砂尘分离效果明显的特点而成为直升机发动机进气道的标准配置。论文采用PIV测速技术对惯性粒子分离器矩形截面模型进口、中心体驼峰区域、清除流(包括分叉区域)、主气流流场在高速进气状态下,进行分段测量,研究了该模型流道在设计型线下的流动特性;对比数值计算,显示出该流场的局部流动细节结构。进一步地验证了湍流模型数值计算方法可应用于惯性粒子分离器流道流场特性的研究。

用于粒子分离器的砂粒反弹特性实验研究

针对砂粒反弹特性所面临的基础问题及其复杂特点,采用实验与理论分析的方法研究砂粒反弹机理。以砂粒与板面碰撞反弹为起点,自行设计了测量砂粒反弹系数的实验系统,并用高速摄影仪捕捉砂粒的运动轨迹,通过图像处理获得不同粒径的砂粒与不同材料的板面碰撞前后的速度矢量。以实验测量数据为基础,理论分析砂粒运动特性,总结砂粒反弹系数与入射角度之间的关系,建立不同材料的砂粒反弹系数的拟合公式,为进一步提高粒子分离器的分离效率提供研究基础与理论支撑。

壁面粗糙度对直升机粒子分离器性能影响的数值研究

采用计算流体力学方法,通过不同壁面粗糙度布置,对直升机粒子分离器无叶片三维流道进行详细的模拟分析。结果表明:壁面粗糙的变化对分离效率影响较小,但会导致流道总压损失的增大。靠近流道出口壁面对流道损失的影响要比靠近进口处大,其中对主流道总压损失影响最严重的是主流道的外壁面。不同的粗糙度分布,对流场的影响也不一样;而且壁面的粗糙度对近壁面流场有影响,还会通过累积影响到远离壁面的流场。

粒子分离器砂尘分离效率试验参数影响分析

砂尘试验是评估和验证粒子分离器砂尘分离能力的核心方法,砂尘分离效率试验结果除受试验器测试精度影响,还与砂尘投放方式直接相关。为了摸清某粒子分离器砂尘分离效率的试验影响因素,结合流动机理分析、CFD仿真和试验方法,分别针对粒子分离器进口粒子分布均匀性、砂尘浓度和喷砂速度3种因素对砂尘分离效率的影响进行了分析。结果表明:粒子分离器进口砂尘分布均匀性是影响砂尘试验结果的主要因素,在给定浓度分布模型下,进口砂尘非均匀分布比非均匀分布砂尘分离效率降低接近7%;进口砂尘浓度在2000 mg/m;范围内变化不会对分离效率试验结果产生显著影响;喷砂速度增大,大粒径粒子受壁面反弹影响,使粒子分离器总分离效率呈下降低趋势。

粒子分离器复杂热气防冰问题的网格划分研究

防冰能力作为涡轴发动机粒子分离器重要考核指标,为保证复杂热气防冰数值模拟的准确性,通过深入剖析整体式粒子分离器功能结构特点,按照区域的材料和功能等不同,气路区域分为进气流叶片+环向集气腔+鼓包前部、进气流前通道和进气流后通道+细小通气孔+鼓包后部等四个区域,固体区域分进气通道固体区域和主通道+清除通道固体区域,采用ICEM高效建立网格拓扑关系,有效将网格质量控制在0.2以上。提出的多气路分区和高效拓扑相结合的方法,对精确化防冰数值模拟中高质量网格划分有一定指导意义。

粒子分离器滑油换热结构的散热性能研究

本文针对粒子分离器滑油换热结构开展了散热性能试验,介绍了粒子分离器滑油换热结构,试验原理和方案,全面的获取了粒子分离器散热特性曲线,分析并总结了主气流、清除流流量,滑油流量、温度对散热特性的影响,为滑油系统设计提供数据支撑。