大型飞机发动机的发展现状和关键技术分析

对军民用大涵道比涡扇发动机的现状和发展趋势等进行了阐述,从国家大型飞机工程的战略目标、大型飞机发动机的重要性和市场前景等方面,对我国大涵道比涡扇发动机的需求、现状和差距进行了初步分析,简要介绍了我国大涵道比涡扇发动机的总体方案,提出了发展我国大涵道比涡扇发动机的主要关键技术,并分别从大涵道比涡扇发动机、国际合作、材料工艺试验条件建设等方面,简要论述了关键技术解决途径与措施建议.

过膨胀单边膨胀喷管试验和数值模拟

在低落压比4~10下,对高速二维单边膨胀喷管模型试验件的壁面静压分布进行了试验研究,模拟气体为高压空气;用三维数值计算得到了喷管性能参数,丰富了流场信息。试验和数值模拟结果表明,处于深度过膨胀状态下的单边膨胀喷管内部出现了自由激波、分离激波、两种激波相交及相互影响、自由激波分离和激波诱导分离等复杂现象;上膨胀面大面积的气流分离而形成的低压区使喷管轴向推力系数Cfa仅为0.78~0.87;此外,推力矢量角pδ为18°~25°,这对飞行器的配平和控制面操作带来一定的困难。

激波诱导轴对称气动矢量喷管流场数值模拟

在落压比3～10，次流相对流量比2．5％～20％工况下，采用RNG k-ε湍流模型对扩张段开缝的激波诱导轴对称气动矢量喷管试验件进行了数值模拟．结果表明：壁面静压分布计算值和试验数据相对误差不大于10．1％．次流的注入使得气动矢量喷管内流流动非常复杂，流场结构的主要特征是在扩张段有一对旋向相反的主分离涡与射流角涡和一个位于次流与出口截面之间较大的回流区．流场结构随着落压比和次流相对流量比的变化而改变．

某蒸发式稳定器燃烧特性及供油匹配数值研究

为了研究一种适用于亚燃冲压发动机燃烧室的蒸发式火焰稳定器方案,采用PDF燃烧模型对其燃烧特性及供油匹配进行了流动及两相燃烧数值模拟与分析,重点研究了不同主燃区/局部供油匹配以及不同主燃区供油浓度分布等对燃烧性能的影响,获得了燃气温度峰值与均匀性相对优化的供油方案。

多级轴流压气机三维数值优化设计

开发了利用非均匀有理B样条对叶轮机械三维叶片进行参数化重构的叶片造型模块和提供多种优化方法的优化模块;集成上述模块以及自主开发的网格生成软件和流场求解软件,建立了压气机气动数值优化平台.在该平台上对某5级轴流压气机末级静子进行了气动数值优化设计,取得了良好的优化效果,压气机性能得到有效提高.

风力机翼型动态失速数值模拟

在低雷诺数下,对NACA0012翼型和风力机专用翼型S809的动态失速进行数值模拟。研究不同网格密度、湍流模型对俯仰振荡翼型数值模拟的影响,并与实验结果进行对比验证。数值模拟得出的气动力迟滞曲线与实验结果变化趋势符合较好,表明了数值方法的有效性。采用此方法研究了北航自主开发的风力机专用翼型的动态失速特性。通过分析表明该翼型在动态失速过程中升力系数下降平缓,俯仰力矩振荡变化不显著,适合应用于兆瓦级大型风力机叶片。

激波诱导轴对称气动矢量喷管壁面静压分布的试验

在落压比3～10,次流相对流量0%～20%的情况下,对扩张段开缝的激波诱导轴对称气动矢量喷管模型试验件的壁面静压分布进行了试验.结果表明：次流的注入形成了周向壁面静压差,使喷管内流场呈现明显的三维流动特征;落压比和次流相对流量对喷管的壁面静压分布有较大的影响,并在一定条件下影响到收敛段的流动;在落压比4,次流相对流量大于15%时,激波有可能会碰到周向距次流注入最远处的壁面,使其气流分离并引起壁面静压的升高.

测量叶轮机振动叶片表面非定常气动响应的实验技术——影响系数法

详细论述了一种适用于叶轮机叶片气动弹性基础性研究的实验技术——影响系数法。以一种简单的方式考虑叶片与叶片之间的气动耦合效应,从而获得叶盘耦合系统在不同叶片间相位角下,叶片表面非定常气动响应(非定常压力和非定常气动功),用于气动弹性机理性研究并校核数值模拟程序。指出影响系数法气动弹性基础实验与传统气动弹性实验的区别,介绍了国外以及作者已经取得的研究成果,其中也涉及到高低速不同流动状态下,叶片表面非定常压力测量的实验设备。通过这一综述,以期推动国内叶轮机气动弹性基础实验的开展,为正在发展的气动弹性数值模拟工具提供详细、有效的实验验证数据。

某型蒸发式稳定器气动及燃烧特性研究

为解决亚燃冲压发动机在高速低温来流条件下的可靠点火、火焰稳定和高效燃烧问题,对某型蒸发式火焰稳定器分别进行了冷态流场和燃烧流场的数值研究,并与常规V型火焰稳定器进行了对比分析。研究结果表明:在给定范围内,蒸发式稳定器随来流速度的增大,总压恢复系数和停留时间明显减小,回流区长度、回流率和燃烧效率变化不大;与相同槽宽的常规V型火焰稳定器相比,回流率明显减小,总压恢复系数、回流区长度和停留时间略有减小。蒸发式稳定器后部形成明显的回流区,且基本上不受外部主流流动的干扰,通过单独控制稳定器局部供油,可以使稳定器在最佳油气比下工作,有利于在高速来流条件下可靠工作。

非定常压力测量中信号失真的管传递函数修正方法(英文)

使用外置压力传感器测量非定常压力会造成非定常测量信号失真。这是由连接外置传感器和测点之间的管道传压系统引成的。阐述了一种修正这种非定常信号失真的方法。从而使得运用外置传感器测量非定常压力成为可能。这种技术使用已知的管传递函数在频域中修正非定常测量信号的失真。同时修正失真信号振幅的变化和相位角的偏移。给出了这种修正技术的运用实例:在叶轮机颤振试验中测量叶片表面非定常压力和在非定常旋涡脱落试验中测量尾迹。

叶型偏差对涡轮性能影响的非定常数值模拟研究

叶型的加工和装配误差难以避免,这将对涡轮的气动性能产生一定的影响。采用定常和非定常数值模拟结合整机实验的方法,研究了叶型偏差对涡轮气动性能及内部非定常流动细节的影响,并比较了定常和非定常计算结果的差别。研究结果表明:在整个工作范围内,叶型偏差都会造成涡轮性能的明显下降,通道涡和泄漏流的发展、前缘吸力峰的强度、激波的形态和强度等流动结构以及叶排间的非定常相互作用都会随叶型的变化而显著改变,而非定常数值模拟对涡轮气动性能和流动结构受叶型偏差影响的捕捉更为准确。

某型7级轴流压气机中间级三维气动数值优化

针对多级压气机三维气动数值优化中存在的级间匹配与计算成本难以兼顾的问题,采用了只对待优化级进行单级三维数值求解,而在边界条件中考虑级环境影响的优化策略,对某型7级高负荷轴流压气机存在叶背分离的第4级静子进行了数值优化.在有限的计算时间内,多级压气机绝热效率相比原始设计提高了近0.8%,压比增加了近4%,压气机的整体性能得到提高.应用表明:该优化策略较好地平衡了级间匹配与计算成本的矛盾.

叶型偏差对整机环境中涡轮性能的影响

叶型加工和装配的误差可能会对涡轮部件乃至发动机整机的性能产生显著的影响。本文针对某整机环境中的涡轮部件,采用数值模拟结合实验的方法,研究了涡轮叶型偏差对其气动性能的影响。结果表明:在整机环境中,叶型偏差首先导致涡轮部件气动性能的微小变化,而整台发动机的工作点随之改变,导致涡轮部件的来流条件、各级涡轮的转速和速度三角形以及其内部的流动细节均会发生明显的变化,最终叶型偏差对涡轮部件气动性能的影响被显著放大。

尾迹与涡轮叶栅边界层的相互作用

通过实验和数值模拟的手段研究了尾迹与边界层的相互作用,其中上游叶排尾迹的模拟是通过在涡轮叶栅前设置周期性运动的圆柱实现的.研究表明,上游尾迹对涡轮叶栅边界层的发展有显著影响,在其作用下,吸力面边界层提前转捩,分离得到明显的抑制,利用尾迹与边界层相互作用的非定常效应可以明显提高低压涡轮叶栅气动负荷.

压气机叶栅非轴对称端壁造型的优化设计

本文以自主发展的自适应遗传算法为基础,结合试验设计、神经网络响应面模型和三维流场数值模拟软件,完成了对设计空间的全局自动寻优。通过端壁型面的参数化控制,实现了压气机叶栅非轴对称端壁的气动数值优化,并分析了非轴对称端壁对叶栅气动性能的影响。结果表明:非轴对称端壁造型能够有效改变壁面的压力分布,从而改善角区流动,减少二次流动损失。相比于原型端壁叶栅,优化后总压损失系数降低了27.8%,静压升提高了19%。