航空发动机旋转部件流动传热测试方法评述

综合分析了航空发动机旋转部件流动传热试验的原理、需求、方法和关键技术。旋转部件试验是为了研究旋转状态下盘腔内的流动和换热规律,试验通过先进的测试方法获得腔内的流场和盘的温度场,获得旋转腔流动阻力系数和盘面对流换热系数的经验关系式,用于航空发动机空气系统和热分析设计。同时文中分析了旋转部件试验的特点和难点即振动、密封和旋转信号的准确传输,并结合工程实践探索了旋转盘腔试验中各难点的解决方法和各种测试方法的优缺点,为航空发动机旋转部件流动换热的试验研究提供坚实的技术基础。

航空发动机空气系统气源引气的研究进展

空气系统对航空燃气涡轮发动机的安全和有效工作起着非常重要的作用。空气系统从压气机中引气,改变了压气机内部的流动,与压气机的气动性能有着密切的联系。随着飞机功能和外部环境的复杂多样以及发动机涡轮前温度的提高,空气系统的气流量不断增大。特殊的引气位置和不断增大的引气量使得空气系统引气对压气机气动性能的影响逐渐凸显。本文对空气系统各功能气源引气的特点进行深入分析,综述压气机中间级引气的国内外研究进展,展望空气系统气源引气研究的发展趋势和应用前景。

高超声速强预冷发动机热力循环研究进展

先进动力系统是水平起降、可重复使用高超声速飞行器的核心支撑,其中,高超声速强预冷发动机是一种极具潜力的动力方案,近年来受到广泛关注。深入研究强预冷发动机的热力循环,掌握发动机热力循环工作特性对发动机的方案设计至关重要。本文对近年来国内外在高超声速强预冷发动机热力循环方面的研究进展进行了综述,主要包括发动机热力循环建模分析方法、性能分析手段、典型强预冷发动机热力循环方案研究等。其中,根据热力循环方案的显著差异,分别介绍了开式直接预冷循环及中间介质闭式预冷热力循环。已有研究表明,对于开式直接预冷循环,燃料类型是决定其性能的根本,提升燃料的热沉是提升发动机性能的重要途径。对于中间介质闭式预冷热力循环,发动机的比冲、单位推力等性能与闭式循环系统的复杂性存在一定的矛盾。整体来看,需继续开展高超声速强预冷发动机核心部件的研究,提炼更加准确的部件性能模型,完善部件尺寸、重量等估算模型,实现对于发动机比冲、单位推力、推重比等整机性能参数的准确评估,支撑高可行性的高超声速强预冷发动机热力方案设计。

小管径顺排管束单元换热特性实验研究

小管径管束的管外对流换热系数对航空发动机用紧凑换热器的设计至关重要。为探究小管径光管管束的管外对流换热特性,设计了不同横向管间距比和流向管排数的顺排光管管束换热单元,并通过实验方法分析了管束横向管间距比、流向管排数和流动雷诺数对管束平均管外对流换热系数的影响。结果表明:经典换热经验关系式对小管径管束的管外努塞尔数预测误差基本在10%以内;不同横向管间距比下管束的管外换热努塞尔数随流动雷诺数增加的趋势不同,相比于大横向管间距比,小横向管间距比下管外努塞尔数在低雷诺数时增加更快,在高雷诺数时则增加更慢;管束的平均管外努塞尔数随着流向管排数的增加而增加,且小横向管间距比时管束流动更快达到充分发展状态。

无导叶对转涡轮气动设计技术

采用先进的无导叶对转涡轮气动布局是提升航空发动机性能最为有效的措施之一。结合无导叶对转涡轮高压涡轮动叶进出口轴向速度变化较大等特点,采用理论分析等研究了对转涡轮基元速度三角形参数的优化选取方法,并给出了高压涡轮导叶、动叶出口气流角等变化对效率影响的详细变化关系。流量系数小、高压动叶出口气流角大以及高压动叶进出口轴向速度比大是设计满足出功比高效率对转涡轮的关键。而采用Bezier曲线造型的收敛-扩散叶型叶背曲率的控制、尾缘半径的选择、叶型出口面积与几何喉道面积之比等则是设计适合出口马赫数1.5～1.6高性能叶型的关键。

三维扩压叶栅非定常流动机理研究的频谱分析

计算了三维直叶栅在不同攻角、不同马赫数下的流动情况,得到流场的非定常解,并进行了频谱分析,对叶栅非定常流动的流场结构和流动机理做了初步的探讨。分析计算结果表明:在来流均匀,定常边界条件下,叶栅内流动仍然表现出强烈的非定常性。分离区和尾迹中的流动,以旋涡的有规律周期性脱落为主要的运动形式。旋涡脱落的频率,随着攻角和马赫数的变化而变化:同马赫数下,攻角越大,频率越低;同攻角下,马赫数越高,频率越高。同时,在同一工况下,旋涡频率沿叶高呈非均匀分布,叶中区域频率相对低,靠近端壁区频率相对高。

主燃烧室冲击/发散双层壁冷却方式壁温验证试验研究

为检验冲击/发散双层壁冷却方式在真实工况下的冷却效果,在单头部高温高压燃烧试验台上对3种结构的冲击/发散双层壁实验件进行单头部高温高压综合验证考核试验。实验参数模拟推比10一级发动机燃烧室设计点参数进行综合考核验证。实验结果表明冲击/发散双层壁火焰筒冷却气量约为20%,总冷却效率在0.85～0.96之间,壁温低于1150K。

位势场与涡轮端区二次流的相互作用机理研究

采用数值模拟方法,研究了某亚声速涡轮内部下游导叶位势场与动叶端区二次流和叶尖泄漏流的非定常相互作用,详细分析了不同时刻的流动特性。结果表明:受下游导叶的非定常位势作用影响,动叶出口瞬时时刻二次涡结构呈现明显的周期性变化,并导致动叶出口熵增和效率均随时间改变,文中利用旋涡运动学理论对产生这一现象的流动机理进行了深入探讨。

侧向互击型层板喷注单元的喷雾特性

对侧向互击型层板喷注单元的喷雾特性进行了试验研究。利用PDA测量了喷雾场下游典型截面上各点的液滴速度、直径、体积通量等参数。分析了喷注单元的雾化过程和喷雾特点,同时研究了混合比和喷注单元的结构参数流道截面积比、喷口宽度的影响。实验结果表明,混合比的提高有利于雾化和喷雾分布;喷注器的结构参数对雾化质量、液雾的空间分布特性具有重要影响。在喷口槽宽合适时,存在最佳的流道截面比,有利于改善雾化。对于一定的流道截面比和混合比,存在最佳的喷口尺寸使雾化质量和喷雾分布最优。结果表明,对于侧向互击型层板喷注器,通过合理的选结构参数,能够控制推进剂的雾化、空间分布和混合,实现所需要的喷雾分布。

旋转对气膜冷却影响的大涡模拟

采用大涡模拟,考察了旋转影响气膜冷却的物理机制。参考实验模型,用带有30°倾斜圆柱孔的平板模拟涡轮转子叶片的吸力面,冷气出口雷诺数为1300,冷气和主流的吹风比为0.5,计算了静止和旋转数为0.2两种条件下的流动和换热,全面展示了旋转对平均流场、涡量、湍流结构和壁面温度分布的影响,并由此对实验现象进行了解释。结果表明,旋转使气膜孔下游的对转涡对产生不对称性;旋转引发的哥氏力使气膜冷却流场中的发夹型漩涡结构向高半径方向偏移,引起涡量分布的改变;旋转破坏了发夹涡的连续性,减少了对主流的卷吸和主流传递给冷气的热量,从而提高了冷却核心区的冷却效率,与实验中观察到的现象一致。

合成射流控制压气机分离流动及工程应用探索

针对航空高负荷轴流压气机中的流动分离问题,研究了在轴流压气机叶片和机匣上开孔两种方式引入合成射流对于流动分离控制的有效性及相应的工程应用前景。在高负荷轴流压气机叶栅风洞试验台上,验证了在叶片上开倾斜小孔产生合成射流旋涡发生器控制流动分离的有效性,并随着微机电系统(MEMS)技术的日益成熟,为合成射流旋涡发生器的工程应用提供了条件。通过在机匣上开孔产生合成射流机匣激励器,其控制流动分离的有效性在低速环形叶栅风洞上得到了验证。在分析合成射流机匣激励器与传统处理机匣之间的关系后提出一个新观点:合成射流机匣激励器本质上是一种新型的机匣处理,传统机匣处理的扩稳机理与合成射流机匣激励器的扩稳机理相同。

径向进气轴向出流旋转盘腔总压损失特性研究

在径向进气轴向出流的旋转盘腔中,在哥氏力的影响下,流体速度的切向分量和流体的总压损失均增大,用数值计算方法研究其损失特性缺乏验证。采用试验方法研究了径向进气轴向出流旋转盘腔的压力损失特性,测试了不同工况下的旋转盘腔的进、出口总压,分析了流量系数和旋转雷诺数对径向进气旋转盘腔总压损失的影响规律。试验结果表明:旋转盘腔的总压损失随旋转雷诺数的增大而增大。随流量系数的变化规律较复杂,在较小旋转雷诺数下,总压损失随流量系数的增大而增大;在较大旋转雷诺数下,总压损失随流量系数的增大先减小后增大。

不同来流条件下旋转对气膜冷却的影响

大涡模拟考察了旋转状态来流条件对单孔平板气膜冷却的影响,气膜孔沿流向倾斜30°,气膜出流的雷诺数为2 600,吹风比为0.5,计算了静止和旋转数为0.02时气膜冷却的流动和换热,对比两种主流进口条件下旋转对气膜冷却的影响。计算结果表明:(1)均匀来流条件下,旋转主要使发夹涡结构产生非对称分布,裹挟气膜向高半径方向偏转;(2)充分发展的来流条件下,旋转使来流边界层内产生湍流结构,淹没了射流进入主流时产生的发夹涡,引起更强烈的射流扩散,增大了气膜覆盖范围,降低了气膜冷却效率的峰值;(3)旋转通过改变来流边界层内的湍流结构对气膜冷却的影响更显著。

提升博士生原始创新能力的探索与实践

提升博士生的原始创新能力是构建新的基础研究工作模式的关键。研究发现,各国博士学位论文基本分为原始创新型和跟踪型两个类型。分析中一项关键量化指标是原始创新型论文在所研究的博士学位论文样本中所占的比例。以笔者所在研究组的部分博士论文为样本,通过比较研究发现,采用原始创新培养模式可将此指标由20世纪末的3.45%提升到目前的28.57%。

尾流撞击效应的一些探讨

通过采用外部声激励的方式,在低速轴流压气机内研究非定常尾流撞击效应对压气机流场结构以及时均气动性能的影响。主要包括:低速轴流压气机实验台的流场调试;流场的稳态、动态测量;实验数据的处理和分析。实验结果表明:当发生尾流撞击耦合效应时,压气机内部流动的时空结构以及时均气动性能均得到较大提高。

径向进气旋转盘腔换热特性试验研究

为分析流量系数和旋转雷诺数对径向进气旋转盘换热效果的影响,采用试验方法对径向进气旋转盘腔的换热特性进行了研究。通过测试不同工况下的旋转盘表面温度,获得了局部努赛尔数分布和平均努赛尔数的变化规律。试验结果表明:由于径向进气旋转盘腔内流动复杂,旋转盘面局部对流换热系数受流动影响出现多头分布的规律;同时,随着旋转雷诺数和流量系数的增大,转盘的平均努赛尔数增大,平均换热效果增强。

高负荷低压涡轮叶片边界层损失机理

对不同雷诺数、不同来流湍流度条件下某典型高负荷低压涡轮叶片边界层流动进行了数值模拟,详细分析了雷诺数和湍流度对边界层分离与转捩的影响机制。结果表明:随着雷诺数的降低叶栅出口总压损失增大,一方面雷诺数减小吸力面边界层抗分离能力减弱,边界层分离引起损失增加,另一方面雷诺数减小吸力面层流边界层摩擦损失增大;随着湍流度的升高叶栅出口总压损失先减小后增大,这是因为低湍流度时流动分离损失占主要地位,湍流度增大分离减弱,叶栅总压损失减小;高湍流度时流动分离损失较小,边界层摩擦损失占主要地位,湍流度增大摩擦损失相应增加,叶栅总压损失增大。

大涡模拟研究展向旋转槽道湍流流动

大涡模拟预测了以不同转速做展向旋转的槽道湍流流动,统计平均的流向速度型在壁面附近与已有实验数据符合得很好.对比不同转速的计算结果,表明展向旋转通道的湍流应力和壁面摩擦力,在压力面附近提高、在吸力面附近降低,低阶湍流统计量的变化规律与对湍流应力输运方程的分析结果一致.旋涡识别技术显示了近壁条带结构,其形态和猝发率受旋转附加力的影响发生改变,进而影响壁面摩擦速度的数值和分布.进一步考察垂直流动方向的截面内速度分布,发现旋转引起了垂直壁面方向的流动,形成正负相间排列的流向涡对,并随着转速的增加向压力面靠近.用较少计算资源获得的上述结果与公开发表的结论一致.

一种近壁理论湍流模型初探

在传统的k-ε湍流模型基础上,在近壁区放弃求解ε方程而代之以根据共振三波理论模型在近壁区系统计算的ε值构成封闭,通过对NACA0012二维翼形流场的计算,初步验证并适当修正了新的理论模型,由于注意到了理论模型计算结果的无量纲性,从而改善了该流场的计算结果,得到了与实验更为相符的Cp分布。本文的分析还表明,逆压力梯度对ε的影响非常显著,验证了理论分析和计算得到的结论。

对转风力机的设计及流场数值模拟

基于传统单转子风力机风能利用系数低的缺点,采用改进的Wilson方法设计了一个对转风力机,减小了湍流尾流的影响,提高了风力机总的风能利用系数。研究了两转子半径比对总的风能利用系数的影响。通过三维数值模拟对所设计的风力机进行了设计工况的流动分析。研究结果表明两个转子的最佳半径比为1.5,此时总的风能利用系数能够达到0.52,风能利用系数比单转子的风力机提高了15.6%,风能利用效率得到了一定的改善。