涡轮转子凹槽叶尖泄漏流动气动热力特征

为探索总结凹槽叶尖泄漏流动气动热力特征,利用实验和数值模拟方法,对叶尖凹槽内部旋涡相互作用机理和叶顶流动换热与泄漏流能量再分布等问题进行研究,并对凹槽叶尖参数化设计方法进行探讨。结果表明:搭建的考虑多因素实验台和可视化泄漏流动测量方案可以精确地捕捉到叶顶区域的流动结构;刮削涡在凹槽中起到"气动篦齿"作用,其形态特征的变化直接影响凹槽叶尖对泄漏流动的控制效果;高温泄漏流流体对叶片表面的冲击是叶尖热负荷提高的主要原因;合理选择叶尖气动参数和凹槽的几何参数可以有效控制刮削涡形态,最终提升叶尖气动热力性能。

气态/超临界态RP-3航空煤油喷嘴内部流动可视化研究

为研究气态/超临界态RP-3航空煤油在喷嘴内部的流动特性,自主设计了模拟喷嘴内部收缩通道的透明试验件,通过阴影法对气态/超临界态RP-3在喷嘴内部的流动过程开展可视化研究,并采用一维流动分析方法对观测结果进行了分析。试验首次获得气态/超临界态RP-3航空煤油在喷嘴内部的流动结构可视化图像,图像透明区域的形状随着燃油在收缩通道中膨胀而引起的密度变化而改变。结果表明,喷射压力和喷射温度对燃油在喷嘴内部流动特性有显著影响,燃油密度在不同喷射压力和喷射温度工况下沿轴向及径向的变化趋势存在明显差异,因而在可视化图像上展现出不同大小或形状的透明区域。轴向上,燃油密度变化在喷口处最为剧烈,该变化趋势随着喷射温度的降低、喷射压力的升高而增大。径向上,受温度边界层的影响,燃油密度变化在喷嘴壁面处最为剧烈,该变化趋势随着喷射温度的降低而减小;近临界喷射温度下,亚临界喷射温度工况的透明区域沿轴向呈均匀状,超临界喷射温度工况的透明区域沿轴向呈收缩状。

三旋流雾化装置中预燃级喷雾特性的实验研究

为深入研究三旋流分级燃烧室中预燃级的喷雾特性,采用煤油为工质,在接近贫油熄火状态时对某三旋流雾化装置中预燃级的雾化特性进行了实验研究。利用相位多普勒测速仪对雾化装置下游的整体喷雾场以及近场区喷雾进行了研究和分析。结果表明:下游喷雾场主要有中心回流区、高速区和喷雾边缘区,但是在X=10mm截面上高速区中存在着台阶低速区。喷雾结构由空心锥结构渐渐转变为全锥形。线平均后的液雾索泰尔平均直径SMD沿轴向增加,气流压降是液滴平均尺寸的主要影响因素。雾化装置中的雾化过程符合复合式空气雾化。在X=10mm截面的近场区,径向上各点处的液滴轴向速度基本与液滴尺寸无关,而液滴径向速度与尺寸的关系与径向位置有关。对文献中提出经验预测公式进行了修正,得到适用于该雾化装置的液滴尺寸关系式,发现在空气压降为4kPa时可忽略第三级旋流气流,一二级旋流气流是近场区液滴平均尺寸的主导因素。

旋流作用下的液膜初始破碎可视化实验研究

利用背光照明和高速相机,对强剪切气动雾化喷嘴出口雾化进行了可视化实验研究,探究旋流中的液膜初始破碎特性及一二级旋流对液膜初始破碎的影响。唯象描述了液膜破碎过程和模式,并分析图像获得表征液膜初始破碎特性的物理量:液膜破碎长度和径向拍振频率。实验结果表明:旋流作用下液膜破碎主要为液袋破碎和液丝破碎模式,这与平面液膜相似,且受工况的影响规律也相同,但旋流作用使得破碎过程和模式叠加,更为复杂。液膜破碎长度主要由一级旋流决定,二级旋向的影响可忽略。径向拍振频率认为是由Kelvin-Helmholtz(KH)和Rayleigh-Taylor(RT)不稳定机理共同主导,且受一二级旋流共同影响;此外,在大气流流量时,同旋更有利液膜失稳破碎,即径向拍振频率更大,而小流量时反旋更利于破碎。进一步由实验数据得到拟合经验公式,两者吻合良好,且发现径向拍振频率可能与旋流数之间存在关联。最终认为旋流作用下液膜更易失稳破碎,且一级旋流决定了液膜初始破碎的基本形态,二级旋流起强化剪切和辅助作用。

跨声速串列转子气动耦合机制分析及优化设计

串列叶片可以突破常规压气机气动负荷的限制,具有良好的工程应用前景。但跨声速串列转子通道内激波系结构复杂,控制难度较大,导致气动效率偏低。为解决上述问题,利用数值模拟的方法对比了串列转子前排在串列和单转子条件下气动参数、流场的变化规律,分析了跨声速串列转子前/后排气动耦合机理,并完成了优化设计。结果表明:(1)串列条件下,前排落后角、总压比沿叶高分布规律发生变化,槽道正激波显著增强,是导致跨声速串列转子效率水平低下的根本原因;(2)针对跨声速串列叶型的优化可以实现流场的定制设计,优化后前/后排匹配工作状态及激波结构显著改善;(3)优化后的串列转子失速裕度提升约6%、设计点等熵效率提升约1.5%,证明了本文提出的优化设计思路及方法的有效性。

典型层板冷却结构中流体流阻与换热特性的实验

对进气孔、扰流柱和出气孔个数之比为1∶4∶1的典型层板冷却结构的流体流阻与换热特性进行了实验研究.结果表明,对于进、出气板间距不大的层板模型,出气板内表面的换热系数最大,扰流柱表面的换热系数次之,进气板内表面的换热系数最小.对不同层板模型的比较表明,相同流量下随着进气孔直径的增大,流阻系数增大,进气板内表面的换热系数变化不大、出气板内表面的换热减弱;随着出气孔直径的增大,流阻明显减小,进气板内表面的换热减弱,出气板内表面的换热变化不大;随着出气孔倾角的增大,流阻增大,进气板内表面的换热增强,出气板内表面的换热变化不大.

基于粒子群算法的多级低压涡轮一维气动优化设计方法

为探究涡轮高效设计技术,从低维优化层面出发,提出了一种基于粒子群优化算法的多级低压涡轮一维设计和优化方法。该方法以涡轮效率为目标,通过建立涡轮子午流道形式以及气动特性等约束条件将涡轮一维设计转化成包含约束限制的极大值优化问题。在验证粒子群算法优化性能的基础上发展了多级低压涡轮一维气动优化设计程序,该程序通过优化地选取涡轮各级的多个设计变量,有效地生成满足多个约束条件的级最佳速度三角形以及最佳初步子午流道形式。利用该程序完成了原型低压涡轮的优化改型工作,三维数值模拟结果表明,优化改型方案在设计点和非设计点的气动性能均获得了不同程度的改善。

模型燃烧室中值班火焰的燃烧不稳定性分析

针对模型燃烧室中值班火焰的燃烧不稳定性问题,实验测量燃烧室内多点动态压力和火焰图像,利用快速傅里叶分析、本征正交分解(POD)等方法进行分析。结果表明:随着当量比增大,值班火焰的稳定性发生2次分岔现象,相应的不稳定模态分别对应系统的3阶、2阶本征纵向声学模态,均发生极限环振荡。POD结果表明:涡声频率锁定,发生在燃烧室纵向声学模态频率处,燃烧室内发生声-涡-火焰耦合的不稳定过程。而伴随着当量比提高,一方面,大尺度旋涡脱落改变火焰面积引发强烈放热振荡,声能产生增大;另一方面,两分支火焰张角不断增大,火焰位置主要波动方向与主要声学波动沿同一轴线。两方面作用下热声耦合更加容易,热释放脉动与压力脉动耦合的相位角减小,进而发生模态转换。

跨音涡轮转子叶尖间隙内流动分析与建模

为明确跨音涡轮叶尖泄漏流动机理,进一步提升涡轮效率,对跨音条件下叶顶喷气对平叶尖及凹槽叶尖性能的影响进行研究,并探讨跨音条件下平叶尖及凹槽叶尖间隙内部的流动状态。结果表明:跨音条件下,叶顶喷气可以增加平叶尖叶栅的气动效率,而刮削涡仍是凹槽内的主控流动结构;喷气流量的增加对平叶尖的总泄漏流量影响有限,但会增加凹槽叶尖的总泄漏流量。在更高负荷情况下,平叶尖间隙内呈跨音速流动特征,具体状态与叶片负荷、叶片厚度有关;凹槽叶尖条件下,泄漏流动在吸力侧肋条上方快速膨胀至超声速状态。基于此,建立可用于跨音条件下的泄漏流量预测模型。

“冲击-气膜”复合式结构冷却效果数值研究

分析了六种不同的"冲击-气膜"复合式冷却结构,将其应用在燃气轮机涡轮导向器叶片中弦区并对其内部流体的流动和换热进行了数值模拟。计算条件采用某燃气轮机的典型工况,流体物性参数随温度变化。将不同"冲击-气膜"复合式冷却结构的计算结果进行对比得出:冲击孔与气膜孔在展向的排列形式对冷却效果有较大影响,叉排明显优于顺排;随着冲击孔的后移,冷却气体对腔内壁的覆盖面积逐渐减小,冷却效果逐渐降低,流阻逐渐增大;在来自冲击冷却和气膜冷却多种影响因素的共同作用下,气膜孔角度和所在面曲率对冷却效果和流阻的影响被大幅度削弱。

裤衩型循环流化床动态数学模型研究

在两段循环流化床动态仿真模型的基础上,通过考虑裤衩腿循环流化床两侧炉膛间风量和物料的横向交换对流化床动态特性的影响,建立了裤衩腿型循环流化床的动态数学模型.利用计算流体力学软件对冷态的裤衩腿循环流化床内的风烟流动进行了模拟,得到两侧炉膛给风量不一致时横向风量交换量的计算方法.重点分析了横向气体交换量、物料交换量与两侧炉膛给风量之间的相互关系,建立了裤衩腿型循环流化床内横向物料流量与横向气体流量之间的关系式.将模拟得到的床料压降与床温的变化与实际"翻床"过程中的变化进行了比较,结果表明:模型结果能够正确反映裤衩腿循环流化床的"翻床"过程.

不同宽高比旋转方形通道内部流体流动与换热的数值研究

分析了不同宽高比截面的燃气轮机涡轮叶片内冷径向出流通道模型,对其内部流体的流动与换热进行了数值模拟,计算工况为Re=25 000、密度比Δρ/ρ=0.13、旋转数Ro=0.24。对比不同宽高比通道的计算结果得出:小宽高比的通道能够强化主流速度型向后缘的偏移,并且可以强化通道后缘表面的换热;在大宽高比的通道中,主流速度型向后缘的偏移减弱,哥氏力二次流漩涡向两侧偏移明显加剧,通道后缘表面的换热被削弱,通道前缘的换热有所增强。

涡轮叶栅尾迹对二次流影响的试验研究

本文利用运动圆柱排模拟上游叶片尾迹,在平面涡轮叶栅上研究了上游尾迹与叶栅通道内二次流相互作用,初步讨论了尾迹与二次流相互作用的机理,研究发现利用这种相互作用可以控制二次流的强度、减小二次流损失,进而可实现提高涡轮效率的目的。

一种涡轮叶栅内部流动控制方法

本文介绍了一种涡轮叶栅内部流动的控制方法,利用数值模拟手段对应用该方法后的涡轮叶栅内部流动进行了分析。研究结果表明:采用尾缘附近喷气的控制方法,能有效地控制涡轮叶片表面边界层分离,从而增大叶栅负荷,并降低气动损失。

铝和氮化铝陶瓷结合强度与机理研究

在氮气气氛下、保温10min、948～1098K利用活性金属铸接方法制备铝/氮化铝陶瓷基板,用力学试验机、扫描电子显微镜、高温金相光学显微镜和原子力显微镜对铝/氮化铝陶瓷的结合强度和机理进行研究.结合温度低于973K时,铝和氮化铝陶瓷之间的剥离强度随结合温度升高线性增大,当结合温度超过973K时,结合温度对强度影响很小,铝和氮化铝陶瓷之间的结合强度约为49N/mm,铝和氮化铝陶瓷之间的结合为物理湿润和化学反应湿润共同作用.

壁面导热对微型向心涡轮性能及流动影响

为了探讨传热对于微型向心涡轮的性能和流动的影响规律,根据微型向心涡轮的特点,针对涡轮的轮毂侧壁面传热现象,建立了涡轮的气动性能随传热量变化的一维模型,并利用数值模拟对模型进行了验证,分析了不同传热量下微型向心涡轮的流动变化。结果表明所发展的模型有较好的精确度,可以用以评估传热对微型向心涡轮性能的影响;较大的传热会改变转子进口相对气流角并影响转子整个通道内的流动;涡轮对外传热使得涡轮输出功降低,涡轮效率明显降低。

高歌 工程热物理及流体力学专家

请您介绍一下您目前所从事的研究工作及其进展。高歌：我们新技术研究所主要进行一些与航空相关的前沿技术及其基础原理的研究工作。主要有新概念发动机和新能源技术等方面的研究工作。

高马赫数下激波湍流边界层干扰数值研究

应用GAO-YONG可压缩湍流方程组数值模拟了入射斜激波/平板湍流边界层相互干扰现象,计算了来流马赫数为5.0,激波入射角度分别为15.876°、23.287°两种不同激波干扰强度下的流场。计算程序中的对流项、扩散项分别采用二阶ROE格式和二阶中心差分格式离散,并用多步Runge-Kutta显式时间推进法求解空间离散后的控制方程。计算较好地模拟了高马赫数下的激波/湍流边界层干扰的流场结构,位移边界层厚度,动量损失厚度等,也比较准确地预测了平板壁面压力、摩阻系数等气动力参数的分布。

尾迹流中大尺度涡的三维理论模型

根据流动稳定性理论,在边界层外区大尺度涡理论模型的基础上提出了一种解释尾迹流中大尺度涡产生机理的三维理论模型。采用该模型对NACA0012翼型尾缘后0．1到0．3倍弦长区域的流动进行计算,得出的流场结构及大尺度量的等值线等与实验符合一致,说明该理论模型能够很好地捕捉到尾迹流中大尺度结构的主要特征。该模型的提出为开展尾迹型流动的实验和数值模拟研究提供理论支持,同时为研究尾迹对流动的影响,特别是叶轮机内部的流动前一级叶栅尾迹对下一级叶片边界层的干扰提供了很大的简化。

基于体积力模型的1维涡轮特性评估方法

涡轮低维气动特性评估方法的预测精度对涡轮气动设计有重要意义。基于适用于轴流涡轮特性评估的1维体积力方法,分析和局部调整了Adam和Leonard的1维体积力模型中的叶片力源项和离心力源项,并在特性计算中引入涡轮损失模型。通过1个低压涡轮和1个含冷气高压涡轮对该方法进行验证,计算结果表明:该方法对2个算例在涡轮设计工况点的流量效率预测偏差均在1%以内,且能够反映涡轮气动特性随膨胀比的变化趋势,具有良好的精度,可用于快速可靠地评估涡轮低维气动特性。