基于沟槽结构的泵喷推进器导管脉动压力控制研究

本文借鉴航空发动机中的压气机“处理机匣”技术,在泵喷推进器导管内壁开设一定数量的轴向沟槽结构,用于减弱泵喷推进器的梢涡,从而减小泵喷推进器导管内壁上的脉动压力。结合分离涡模拟(DES)方法和滑移网格方法对椭圆形水翼的梢涡流场进行数值模拟,数值计算结果与试验值吻合度较高,验证了数值计算方法的可靠性与适用性。在此基础上,分别对有无沟槽结构的泵喷推进器进行数值模拟,对比分析沟槽结构对梢涡涡核压力、导管内壁脉动压力和水动力性能的影响。结果表明:沟槽结构可以显著增大梢涡涡核压力,并对导管内壁面上脉动压力幅值有明显的降低效果,且对水动力性能影响较小。

基于凹槽结构的导管螺旋桨梢部流动研究

针对导管螺旋桨的梢部流动,受压气机中“机匣处理”的启发,将矩形凹槽结构应用于导管内壁,用于降低导管螺旋桨梢涡强度和抑制梢涡空化,进而有望改善导管螺旋桨的水动力和空泡性能。采用计算流体力学方法,针对19A导管和Ka4-70螺旋桨有无凹槽/不同凹槽结构进行非定常数值计算,研究凹槽结构对桨叶叶梢压力、梢涡强度、梢涡结构以及水动力性能的影响。结果表明:凹槽结构会明显改变导管螺旋桨梢部流场涡的形成,减弱梢涡强度,提高叶片梢部最小压力,并且对推进性能几乎没有影响。研究结果可为导管螺旋桨的梢涡控制以及减振降噪提供一种新的解决途径。

运动柱塞与油管内壁环缝间的气液逆流特性

柱塞气举技术已成为国内外经济性较高的排液采气关键技术之一,但由于柱塞与油管内壁环缝间液体漏失和气体上窜降低了柱塞气举排液率甚至造成举升失败。因此,为优化柱塞气举结构以提高举升效率,构建了运动柱塞与油管内壁环缝间气液两相逆流数值模型,研究了柱塞结构与上行速度对环缝内气液逆流流型转变以及逆流密封性能的影响规律,揭示了柱塞与油管内壁环缝内的气液逆流密封机理,提出了强化气液逆流密封性能的最优上行举升速度与柱塞结构优化方向。研究结果表明:①在柱塞表面添加槽式结构可显著改善柱塞与油管内壁环缝间的气液逆流密封特性,且矩形槽柱塞举升效果优于梯形槽柱塞;②当矩形槽室宽度小于深度时,气液难以充分混合而呈气液分层流型,气相涡旋将液体挤压在槽内壁面,环缝内流体速度衰减较小,气液漏失量较大;③当矩形槽室宽度是深度的2倍时,槽内呈气液搅拌流型,出现两相涡旋并引起气液流速的衰减,减小了举升过程中的流体漏失;④柱塞平均上行速度为5 m/s时,槽式柱塞与油管内壁环缝间气液流动密封性能最佳。结论认为,选用槽室宽度是深度2倍的矩形槽柱塞并控制其举升速度趋近于5 m/s,可有效提高柱塞排液效率,该研究成果可以为柱塞气举排液技术优化提供技术支撑,有助于提高天然气采收率,为天然气的规模效益开发提供了理论依据。

螺旋槽对柱面气膜密封静力与动力特性影响机理研究

螺旋槽对柱面气膜密封静力和动力特性有较大影响。应用非定常动网格技术建立了柱面气膜密封多频椭圆涡动静力与动力特性求解模型,分析了不同工况及结构参数下螺旋槽对柱面气膜密封静力与动力特性的影响,研究了螺旋槽对封严气体泵吸效应与流体动压效应影响,揭示了螺旋槽对柱面气膜密封静力和动力特性的影响机理。研究结果表明:随着进出口压比与偏心率的增大,气膜内流体动压效应增强,封严气体压力分布不均匀,使得密封泄漏量增加。随着螺旋角的增大,气体经过螺旋槽泵吸效应与挤压作用聚集在螺旋槽根部,形成了较为明显的动压效应,使得泄漏量增加。当螺旋角为30°~50°时,密封的径向气流力指向转子涡动中心,切向气流力与转子涡动速度方向相反,有效地抑制了转子涡动,转子系统稳定性较好。

泵喷推进器沟槽梢涡控制效果及敞水性能研究

为控制泵喷推进器梢隙流场,抑制梢涡空化,在导管内壁开设了一定数量的沟槽结构进行研究。本文基于分离涡模拟方法并结合高质量结构化网格对泵喷推进器的梢隙流场进行了数值计算,设计并开展了基于拖曳水池的泵喷推进器敞水性能试验,对比分析了沟槽结构对梢涡形状、梢涡涡核压力和敞水性能的影响。研究表明:沟槽结构可以显著增大梢涡涡核压力,涡核相对压力时均值最少可提高36.57%,在转子尾缘后梢涡低压区域体积可以减少65.8%,能有效延迟梢涡空化,并且对泵喷推进器的水动力性能影响较小,在推进效率上还有一定的改善作用。

带周向槽机匣处理的离心压气机扩稳机理分析

机匣处理能够改善压气机稳定裕度,扩大其稳定工作范围。通过对带周向槽机匣处理的NASA低速离心叶轮(LSCC)进行了时间精确的全三维数值模拟,并对周向槽机匣结构和实壁机匣结构在近失速流量点工况下的计算结果进行了比较分析。分析结果表明,周向槽处理机匣对叶顶间隙泄漏涡的抑制是周向槽机匣处理扩稳的主要原因。

水下条纹沟槽表面近壁区流场的数值分析

近年来对于水下条纹沟槽表面减阻的研究多集中在试验方面,理论分析和数值计算进行的却不多。而由于受实验条件的限制,条纹沟槽表面减阻的微观机理也一直没有搞清楚。本文正是通过理论方面的分析和计算来进一步揭示条纹沟槽表面的微观流场。首先基于“第二涡群”论对条纹沟槽表面流场的减阻特性进行了理论分析,阐述了其减阻机理;在此基础上采用B-L两层代数模型,建立了条纹沟槽表面水下流场的简化数学模型;并利用有限差分法对近壁区流场进行了数值计算,首次通过理论计算的方法获得了条纹沟槽表面水下微观流场的速度分布;为以后进一步从理论和实验上研究条纹沟槽减阻特性奠定了重要的基础。

沟槽面减阻效果影响因素及减阻机理的分析(英文)

采用雷诺平均N-S方程和RNGk-ε湍流模型计算V型沟槽面的湍流边界层流动和粘性阻力,研究了沟槽尖峰形状和雷诺数对减阻效果的影响规律,初步分析了沟槽面减阻机理。指出:沟槽尖峰处的圆角半径越小其减阻效果越好,沟槽斜面中下部的壁面应力随着圆角半径的减小而降低,但尖峰处的局部壁面应力会随之增大;来流速度对沟槽减阻率的影响很大,对于一种尺度的V型沟槽,存在着一个具有较好减阻效果的来流速度范围,而沟槽面在沿来流方向上的布置位置对减阻效果的影响非常小;沟槽尺度对减阻效果很剧烈;沟槽尖峰处生成的二次涡是产生减阻效果的根本原因,二次涡的强弱与沟槽减阻率的大小紧密相关。

腰槽开孔矩形翼涡流发生器纳米氧化镁颗粒污垢特性

为了探究开孔涡流发生器颗粒污垢机制,实验研究了腰槽开孔矩形翼涡流发生器纳米氧化镁颗粒的污垢特性,考察了入口温度、浓度、流速、涡流发生器纵向间距以及不同攻角等参数污垢特性的影响。结果表明:腰槽开孔矩形翼涡流发生器具有较好的抑垢特性,抑垢能力随入口温度降低、浓度降低、流速增加以及纵向间距减小而增强。涡流发生器60°攻角布置下的抑垢能力最强。

一种复合方法抑制叶尖泄漏的试验及模拟研究

为了强化涡轮叶顶间隙泄漏抑制,提出了将被动式气动封严与叶尖几何改型方法相结合用于抑制叶尖泄漏及其损失的流动调控新方案。对叶顶凹槽与自发射流耦合的3种典型方案进行了模型试验和数值模拟,探讨了2种被动式抑制方法的耦合机理。研究表明,叶顶凹槽与自发射流(STI)之间存在明显耦合作用,当自发射流出口位于凹槽底部时,自发射流与凹槽涡(GV)预先掺混,导致2种抑制效应相互抵消,无法对泄漏流形成有效抑制,为不良耦合。而当自发射流出口位于凹槽压力边或吸力边时,自发射流的反吹阻滞效应与凹槽涡的动能耗散效应相叠加,对泄漏流形成2次有效封堵,为有效的耦合方案,而且以自发射流出口位于凹槽吸力边时,对泄漏流的抑制效果最佳。

Ku/K波段双频涡旋电磁阵列天线设计

涡旋电磁波具有携带轨道角动量的特性,利用这一特性,采用涡旋电磁波作为信号的载体,可以实现同一时间、同一频段的多路信号传输,极大地提高系统容量和频带利用率。以同轴馈电的半圆型开槽微带天线为单元,设计出了一种能工作在Ku波段和K波段的涡旋电磁阵列天线。使用三维电磁场仿真软件建模并且优化参数,最终得到在中心频率分别为17.1GHz和19.7GHz时,阵列天线产生的电磁波携带有轨道角动量。结论表明:该阵列天线能够产生双频涡旋电磁波。

周向槽和阶梯槽在提高轴流压气机稳定工作裕度中的综合利用

在验证了计算模型的可靠性后,针对西北工业大学某轴流压气机转子的失速类型,进行了周向槽机匣、阶梯槽机匣,以及两者组合结构的扩稳效果的数值模拟。结果表明,周向槽结构在叶片通道前端可起到对叶顶泄漏涡的控制作用,而在叶片通道尾端效果不大。阶梯槽结构在叶片通道后端则能利用流向压差起到扩稳作用。采用叶片通道前部为周向槽,尾部为阶梯槽的组合机匣结构能在效率损失较小的情况下,对类似的压气机起到较理想的扩稳效果。

螺旋槽水润滑橡胶合金轴承沙粒侵蚀磨损研究

螺旋槽水润滑橡胶轴承橡胶面的破坏除了与运动轴直接接触造成磨损外,水中泥沙颗粒等污染物对水润滑橡胶的侵蚀磨损也是影响水润滑橡胶工作面的主要破坏方式。对液-固两相流中固体颗粒的受力情况进行分析;借助于Finne磨损基本数学模型,对不同转速、不同大小沙粒和水组成的流场进行分析,得到内部颗粒随液态流场变化的趋势;对中高转速下颗粒对壁面磨损的过程和位置进行初步的预测。结果表明,在不同转速下,不同粒子对橡胶面不同位置的侵蚀磨损是显著不同的:低转速下,接近层流状态时,对承载面的磨损较大;高转速下,流体呈现紊流状态,并在导流槽内出现独立的漩涡现象,导致颗粒在漩涡内聚集,从而造成漩涡面的磨损侵蚀较大。螺旋槽结构导致流场内漩涡出现,对于排污具有较好的作用。

含均压槽静压止推气体轴承的气膜特性

采用ICEM建立含均压槽的静压止推气体轴承的气膜二维计算模型,分析不同供气压力和气膜厚度下的气膜压力、速度分布,并计算不同供气压力和气膜厚度下的承载力和气体质量流量。结果表明:随着供气压力和气膜厚度的增大,均压槽内的气旋现象越来越明显;随着供气压力的减小和气膜厚度的增大,气膜压力趋近于线性分布;轴承的承载力随着供气压力的增大而增大,气体流量随着供气压力和气膜厚度的增大而增大。均压槽是影响气膜压力和速度分布的关键因素,而均压槽内的气旋现象是影响均压槽内部流场的主要原因之一,而随着气膜厚度的增大均压槽的这种影响会而逐渐减小。

基于凹槽结构的泵喷推进器梢涡控制效果及计算方法

为了降低泵喷推进器的辐射噪声,借鉴航空发动机"处理机匣"技术,在泵喷推进器导管内壁上开设凹槽结构,达到降低泵喷推进器转子梢涡强度、抑制梢涡空化的目的。针对某型泵喷推进器,采用结构化网格,对比分析了无凹槽和有凹槽喷泵喷推进器的梢涡强度,结果显示,导管凹槽能够有效削弱梢涡强度;分析了湍流模型、网格数量和时间步长对计算结果的影响,初步建立了导管凹槽梢涡抑制效果的数值计算方法,研究结果为泵喷推进器梢涡控制提供了新的技术路径和技术支撑。

腰槽开孔矩形翼涡流发生器的传热和流阻特性

涡流发生器是一种广泛应用的被动强化传热元件,在换热器的换热壁面上以阵列形式布置。涡流发生器靠诱导和产生涡旋来削减或破坏壁面边界层从而达到强化换热。本文对安装腰槽开孔矩形翼涡流发生器和未冲孔矩形翼涡流发生器以及圆孔矩形翼涡流发生器的矩形通道进行了传热和流阻特性的实验研究。实验雷诺数范围为Re=1000~4000。结果表明:在相同雷诺数下,安装有腰槽开孔矩形翼涡流发生器的矩形通道的换热效果和流阻特性优于未冲孔矩形翼涡流发生器和圆孔矩形翼涡流发生器,腰槽开孔矩形翼涡流发生器综合换热性能最好。涡流发生器布置攻角和纵向间距对腰槽开孔矩形翼涡流发生器传热和流阻有较大影响,对比不同涡流发生器布置攻角和纵向间距,得出90°攻角布置和纵向间距为80mm布置的腰槽开孔矩形翼涡流发生器总和换热性能最好。

转子—定子型离心式水力空化发生器非定常空化形成机制

为了研究一种高效水力空化发生器的运行原理,采用试验测试与数值模拟结合的方法研究了一台转子—定子型离心式水力空化发生器内的非定常空化机制。数值计算与试验吻合较好,结果表明空化发生器内存在三种空化机制:钝头体绕流空化、尾涡空化和楔形槽空化,分别位于转子叶齿前缘、叶齿后侧和定子叶齿前缘,其中定子叶齿前缘空化具有明显的周期性。空泡整体分布不完全对称,定子叶齿前缘空化主要发生在蜗壳5-8断面间;转子叶齿前缘空化发生在8-1断面间,而后侧尾涡空化变化幅度较小。空泡体积含量呈周期性变化,与一对转子—定子叶齿的交错周期相吻合。研究成果可为离心式水力空化发生器的优化设计提供参考。

基于矩形凹槽结构的泵喷推进器梢部流动控制效果研究

针对泵喷推进器梢部流动引起的梢隙空化和梢涡空化,在导管内壁开设一定数量的轴向矩形凹槽。基于计算流体力学软件STAR-CCM+进行数值模拟,分析凹槽结构对梢部端面压力、梢涡涡核压力、梢涡强度和水动力性能的影响。计算结果显示,矩形凹槽结构增大了梢部端面压力和梢涡涡核压力,减弱了梢涡强度,可以推迟梢隙空化和梢涡空化发生,而且对推进效率的影响较小。这项研究结果为泵喷推进器的减振降噪提供了新的途径。

环形槽对通气空泡融合的促进作用分析

航行体出水过程中肩部的自然空化将影响航行体的载荷分布及出水姿态,工程上常采用肩部开孔通气的方式改善航行体表面的力学环境,进而解决此类问题.本文针对水下航行体通气空泡周向融合效果不理想问题,基于有限体积法,采用VOF(volume of fluid)多相流模型和动态铺层的动网格技术,数值研究了排气孔下游增加小尺度环形凹槽促进空泡融合的作用机制,以及不同发展阶段、不同工况下环形凹槽对空泡融合的促进作用.结果表明,凹槽可以有效改善通气空泡的融合效果.运动坐标系下来流经过环形凹槽时因为流动膨胀发生了边界层的流动分离,其诱导产生的卷吸作用一方面迟滞了空泡的轴向发展,促进空泡产生周向尺寸更大的剪切涡并沿周向膨胀发展,另一方面将部分通气气体吸入环形凹槽,吸入槽内的气体通过挤压破碎实现了周向融合,且槽内融合气泡溢出下泄促进融合边界上移.此外,凹槽可以通过改善空泡内部的流动状态,使空泡的形态和内部压力在不同工况下都更加稳定.

新型不同尺寸分布的脊状表面减阻特性研究

针对新型不同尺寸分布V型脊状结构,对其湍流边界层减阻特性进行了研究,根据新型脊状结构形状特殊性的特点,对其计算域、计算网格及其流动参数进行了合理化处理,采用雷诺平均N-S方程和RNGk-ε湍流模型计算新型脊状表面的湍流边界层流动和粘性阻力。通过与常见等尺寸脊状表面及光滑面的对比得出,新型脊状表面具有良好的减阻效果,减阻量近15%;新型脊状结构更有利于"二次涡"的形成与发展,而"二次涡"是产生并影响减阻效果的根本原因。