- 薛亮波;孙波;卓长飞;满延进;李宏东;
为了研究预冷对协同吸气式火箭发动机(Synergetic Air-Breathing Rocket Engine,SABRE)进气道流场性能的影响,以各工况临界状态下无预冷的SABRE发动机进气道为对象,结合多孔介质耦合源项法开展了预冷效应对进气道流动特性影响的数值仿真研究。对比了预冷前后进气道流场及气动性能的变化。研究表明,多孔介质耦合源项法预冷可以较好地模拟预冷器的冷却效应及压降效应,预冷后结尾激波较预冷前向前移动了一段距离,各工况涡轮通道出口总温降低了48%～77%,其中Ma2～4时总温降低到了210K左右;来流空气经预冷后涡轮通道出口马赫数降低,流量系数也随之降低;进气道总压恢复系数呈减小趋势,低速工况总压恢复系数较好,预冷前后两通道总压恢复系数变化不大,涡轮通道流量系数较预冷前降低了约15%。
2020年06期 v.41;No.276 1227-1236页 [查看摘要][在线阅读][下载 1845K] [下载次数：556 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：17 ] |[阅读次数：1 ] - 王广;楚武利;迟志东;陈向艺;张皓光;
为了揭示自循环机匣处理周向覆盖比例和喷嘴轴向位置对扩稳效果的影响规律,在固定引气位置于叶顶阻塞区域的前提下,设计了6个不同周向覆盖比例和4个不同喷嘴轴向位置的自循环机匣处理结构,并以一个高亚声速轴流压气机转子为研究对象进行了数值模拟。结果表明:随着周向覆盖比例增大,压气机的综合稳定裕度先增大后减小,峰值效率则单调降低,综合稳定裕度改进量最大的周向覆盖比例为90%,兼顾扩稳效果和效率损失的最佳周向覆盖比例为30%。随着喷嘴位置由叶顶前缘沿轴向逐渐前移,压气机的扩稳效果变化不大,但效率有所提升,而且喷嘴位置越往前移,效率提升越多。
2020年06期 v.41;No.276 1237-1249页 [查看摘要][在线阅读][下载 2692K] [下载次数：383 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：15 ] |[阅读次数：0 ] - 孟庆鹤;李伟航;陈绍文;王松涛;
为控制涡轮叶栅中叶顶间隙泄漏流动和改善涡轮气动性能,将扫频式射流器(SJA)作为一种主动流动控制方法应用在涡轮叶栅的研究中。通过非定常数值计算,分析了SJA对涡轮叶栅叶顶间隙流动的作用过程以及作用机理,并且研究了不同工况下SJA对涡轮叶顶流场改善效果以及不同频率的SJA对叶顶流场的影响。结果表明:通过在涡轮叶栅上端壁增加单个SJA装置,可以有效地延迟上端壁的流动分离,其中最佳方案射流流量仅为进口总流量的0.35%,涡轮叶栅出口截面总压损失系数减少了11.48%。存在着最佳的频率284Hz,使SJA装置对流场的作用效果最佳,有效地改善了涡轮叶栅内的间隙流动。
2020年06期 v.41;No.276 1250-1257页 [查看摘要][在线阅读][下载 1957K] [下载次数：234 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：3 ] |[阅读次数：1 ] - 同航;乔渭阳;丁松;黎霖;王良峰;
针对单级轴流风扇单音噪声的声模态与声功率(PWL)预测,基于早期的二维叶栅噪声解析预测模型,开发了改进的三维单级风扇噪声解析预测模型。主要目的是可以通过该预测方法快速、准确地给出声场信息以优化风扇设计方案。该模型由模拟转子粘性尾迹,求解静子表面非定常载荷以及模拟管道噪声传播三个部分组成,并采用单级轴流风扇噪声试验数据对该解析预测模型的结果进行了验证。与试验数据相比较,该解析预测模型1BPF单音噪声预测结果误差<1.5dB,2BPF单音噪声预测结果误差<5dB,同时给出了合理的周向与径向模态声场模拟结果。与传统的叶轮机噪声解析预测模型相比,该方法不仅考虑了三维几何,还可以模拟出管道内的声场结构,计算方法更为合理,噪声预测结果也更为可靠,具有很好的工程应用价值。
2020年06期 v.41;No.276 1258-1267页 [查看摘要][在线阅读][下载 1493K] [下载次数：291 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 曾军;张维涛;王鹏飞;雷鸣;郑振江;
以空心气冷低压涡轮动叶为研究对象,采用高质量的流体域和固体域网格控制技术,带转捩模型的双方程SST湍流模型,开展了基于CFD方法的叶片气热耦合问题研究。获得了不同冷气流量比(分别为1.0%,1.38%,1.8%和2.2%)、温比(分别为2.1,2.25,2.3,2.4和2.5)和压比(分别为1.4,1.6和1.8)对叶片换热特性的影响规律,设计状态中截面按弧长平均的叶片壁面金属温度计算值较试验值偏小0.3%,气热耦合计算的叶片壁面温度分布与试验结果吻合良好,验证了气热强耦合计算方法的精度,为涡轮叶片温度场分析提供了一种有效的方法。
2020年06期 v.41;No.276 1268-1275页 [查看摘要][在线阅读][下载 1565K] [下载次数：415 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：9 ] |[阅读次数：0 ] - 夏子龙;王锁芳;
为分析进口流量对压气机引气系统无管式减涡器压力损失的影响及无管式减涡器减阻效果,采用数值模拟与试验研究相结合的方法对无管式减涡器开展研究,并与直喷嘴模型进行了对比。模型试验验证了数值模拟方法的可靠性,通过数值模拟,建立了无管式减涡器流阻特性"S"形曲线三分区模型,分析了无管式减涡器各截面间压力损失及其占比随无量纲质量流量变化规律。在计算流量范围内,与直喷嘴模型相比,无管式减涡器平均可降低压气机引气系统压力损失约45.9%。在第二拐点处,共转盘腔内压力损失降低了96.44%,此时无管式减涡器减阻效果最佳,较直喷嘴模型压力损失降低了73.44%。
2020年06期 v.41;No.276 1276-1285页 [查看摘要][在线阅读][下载 1711K] [下载次数：173 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：3 ] |[阅读次数：1 ] - 郎进花;楚武利;张皓光;安光耀;马姗;
非对称端壁造型应用在轴流压气机和涡轮中具有较好的提高效率的作用。为了探究非对称端壁造型对离心压气机性能的影响,借鉴非对称端壁造型在轴流压气机中的设计经验,借助Autoblade和CFX商用软件,设计了四种非对称端壁造型结构,并对带叶片式扩压器的离心压气机展开数值计算研究。研究发现,与原型压气机相比,采用压力面附近为凸曲率形状、吸力面附近为凹曲率形状的非对称端壁造型结构PEW1_10%(profiled end wall 1_10%)可以在保证全工况效率不降低的情况下,使离心压气机的性能曲线向小流量和大流量均有拓展,稳定工作范围扩大11.8%。通过分析流场发现,在近喘振工况,非对称端壁造型PEW1_10%使扩压器通道内流量重新分配,吸力面附近径向速度增大,低能流体减少,改善了扩压器通道的流动状况,进而推迟喘振的发生。
2020年06期 v.41;No.276 1286-1295页 [查看摘要][在线阅读][下载 1629K] [下载次数：447 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：10 ] |[阅读次数：1 ]
- 李唯暄;杨海涛;陈雄;薛素林;
为探究旋流与添加炭黑对聚乙烯推进剂固体燃料冲压发动机工作性能的影响,采用实验和数值仿真相结合的方法进行研究。结果表明:在聚乙烯中加入质量分数为5%的炭黑可以提高补燃室压强和温度,增大燃烧室内高温区面积,且对推进剂燃烧效率、发动机工作性能以及发动机燃烧稳定性具有积极作用。与聚乙烯推进剂相比,含炭黑推进剂在无旋工况下可使发动机平均燃面退移速率提高15%,特征速度提高4%,推力提高11%。在旋流工况下,添加炭黑可使推进剂平均燃面退移速率提高29%,特征速度提高8.5%,发动机推力提高22.3%。结果表明:在添加炭黑和旋流的共同作用下,对发动机工作性能提升更加明显。相比于无旋工况而言,旋流的引入有助于燃气与来流空气的掺混,提高推进剂燃烧效率,对推进剂燃面退移速率提升具有积极作用。
2020年06期 v.41;No.276 1296-1304页 [查看摘要][在线阅读][下载 1485K] [下载次数：198 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：7 ] |[阅读次数：0 ] - 傅江坤;周建华;郭志辉;
为研究典型中心分级燃烧室预燃级的冷态喷雾特性,进行了实验研究。应用相位多普勒粒子分析仪(PDA)测量液滴的直径和速度,应用片光照相得到喷雾照片。实验结果表明:由于受到套筒结构的限制,预燃级喷雾锥角较小,一般在50°～70°,随着燃油流量和空气压降的增加,喷雾锥角增大,燃油分布范围更广,液滴数量增加,直径随之变小。预燃级的中心回流区宽度仅为20mm左右,一直延伸进套筒内,最大回流速度约为10m/s。燃油流量的改变对流场的影响十分微弱,而空气压降的增加能够明显增加流场速度和回流强度,但是工况参数的改变并不会改变回流区位置和流场结构。燃油流量的减小和空气压降的增加都会使雾化索太尔平均直径(SMD)减小,但相比之下,空气压降对雾化水平的影响更大。在各头部空气压降下,雾化SMD随着气液比(ALR)的增加而减小,但随着ALR的继续增加,平均SMD变化曲线变平缓。
2020年06期 v.41;No.276 1305-1313页 [查看摘要][在线阅读][下载 1688K] [下载次数：392 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：3 ] |[阅读次数：0 ] - 陈宁立;杜健民;吉洪湖;胡娅萍;袁永青;
为了加深对旋转叶片表面积冰现象的认识,发展了一种适用于旋转表面积冰预测的数学模型,并采用该模型研究了离心力对于旋转叶片表面积冰的影响。通过对积冰控制体内的由于撞击水滴形成的薄水膜流动的质量、动量和能量守恒进行分析,发展了旋转贴体非正交曲线坐标系下的积冰模型并给出了相应的计算方法。所发展模型的动量方程中考虑了离心力对水膜流动的影响,并且在能量方程中考虑了净流出水带走的能量。采用文献中旋翼表面的积冰试验结果对所发展的模型和计算方法进行了验证,所计算得到的冰厚与试验结果吻合较好,计算得到的冰厚精度相比于LWICE软件有所提高。计算结果还表明,离心力增大会导致水膜速度在叶片展向上的分量变大,致使流出控制体的水质量增加,最终导致冰厚在驻点附近略微变小。
2020年06期 v.41;No.276 1314-1323页 [查看摘要][在线阅读][下载 1466K] [下载次数：325 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：9 ] |[阅读次数：0 ] - 项乐;谭永华;陈晖;许开富;
为了研究温度升高对翼型表面空化流动的影响,以水为介质,首先对几种现有空化模型的预测能力进行了对比分析,发现Singhal模型能够较准确预测空化区的形状、压力和温度分布。通过添加空化引起的能量源项、耦合介质物性参数与温度关系等方式考虑了热力学效应的影响,并利用现有实验数据充分验证了仿真方法的可靠性,发现考虑热力学效应对压力分布影响较小,但是会导致空化区最大温降减小10%左右。基于建立的仿真方法,对298K～393K温度范围内空化流动进行数值仿真,发现空化区温降随温度升高而增大,但是空化区面积随温度变化在T=353K存在拐点,T<353K时,空化区面积随温度升高而增大;而T≥353K时,空化区随温度升高而减小。最后研究了雷诺数变化对空化发展的影响,发现雷诺数增大有一定促进作用,而温度升高同时导致热力学效应增强(抑制空化)和雷诺数增大(促进空化),正是这两种相反作用之间的平衡决定着温度对空化流动的影响。
2020年06期 v.41;No.276 1324-1333页 [查看摘要][在线阅读][下载 1544K] [下载次数：405 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：13 ] |[阅读次数：0 ] - 常峰;林宏军;程明;李美烨;
为了研究新设计的一种低旋流中心分级燃烧室流场特性,采用数值模拟和PIV试验结合的方法,针对其头部两级主副模旋流器的不同组合方案开展了研究。研究表明:低旋流下,单独副模旋流器工作时气流半角<22.3°,无法形成回流区,同时,副模气流轴向速度在旋流器出口具有较大的速度衰减特性;回流区的形成是主副模旋流器相互作用的结果,流场呈径向分区特征,中心回流区在内,回流区最大径向尺寸小于主模旋流器外径,主模气流在回流区外,无回流区形成;不同副模旋流数下的流场结构基本一致,随着副模旋流数的增加,中心回流区的径向尺寸增大。
2020年06期 v.41;No.276 1334-1339页 [查看摘要][在线阅读][下载 1571K] [下载次数：513 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：15 ] |[阅读次数：0 ] - 周雄;康玉东;康松;邓远灏;钟世林;刘国柱;
为阐明实际工作环境参数下气冷喷油杆内燃油结焦速率与沉积厚度等特性,建立沿喷杆轴向的一维非稳态热-流-固耦合换热与燃油结焦计算模型,获得了喷杆壁面与燃油温度、结焦速率与相对结焦厚度等参数沿程分布。分析了燃油进口温度和质量流量对燃油结焦特性的影响,并与无气冷喷杆方案结果进行了对比。计算结果表明:燃油温度沿轴向逐渐升高,喷杆壁温在底端达到峰值。基准工况下气冷喷杆结焦速率和结焦厚度均沿轴向先升高后降低。结焦速率最大为26μg/(cm2·h),对应相对结焦沉积厚度0.6%。无气冷喷杆方案,在喷杆前端和底部各存在一结焦峰值区域。结焦速率峰值分别为398μg/(cm2·h)和807μg/(cm2·h),对应相对结焦沉积厚度8%和15%。固定燃油进口流量,随着燃油进口温度升高,结焦速率显著增大,喷杆内结焦总质量呈指数级增长趋势。固定燃油进口温度,进口流量越大,结焦速率略有增大,结焦总质量仅呈线性增长趋势。相较于无气冷喷杆,气冷喷杆可显著降低喷杆壁面与燃油温度,从而大幅抑制结焦生成。
2020年06期 v.41;No.276 1340-1350页 [查看摘要][在线阅读][下载 1983K] [下载次数：307 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：2 ] |[阅读次数：1 ] - 孟豪龙;翁春生;武郁文;郑权;魏万里;
为进一步研究旋转爆轰流场特征,基于开源计算流体动力学软件OpenFOAM,采用9组分19步的基元化学反应模型,对H2/Air连续旋转爆轰流场进行了三维数值模拟,得到了旋转爆轰波稳定传播时燃烧室内部流场的详细结构,研究了燃烧室头部激波的传播特性,分析了旋转爆轰燃烧室的压力增益性能。结果表明:旋转爆轰波后的第一道反射激波在由燃烧室外壁面向内壁面传播过程中反射激波的高度增加并在靠近内壁面附近与滑移线交汇形成局部高温高压区域;旋转爆轰波在外壁面位置处相位约落后于内壁面0.003rad～0.15rad,其相位差随燃烧室曲率差的增加而增大;燃烧室头部反射激波数目受到曲率差和进气总压的影响,燃烧室曲率差增大,反射激波数目减少,进气总压增大,反射激波数目增多;燃烧室压力增益保持在0.3以上,在进气总压一定的条件下,压力增益随着燃烧室曲率差的增大有增加的趋势。研究结果揭示了三维旋转爆轰流场的精细结构和燃烧室头部激波的传播规律。
2020年06期 v.41;No.276 1351-1360页 [查看摘要][在线阅读][下载 1639K] [下载次数：574 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：15 ] |[阅读次数：0 ] - 姚春意;朱惠人;刘存良;张博伦;周道恩;
为获得高主流湍流度时全气膜涡轮叶片表面的冷却和换热特性,在跨声速风洞中实验研究了质量流量比(MFR)和主流雷诺数(Re)对叶片表面气膜冷却效率和换热系数比的影响。在叶片前缘布置了5排圆形孔,在吸力面和压力面分别布置了3排和6排圆形孔,实验结果由嵌入在叶片中截面的热电偶测得。实验中基于弦长的主流雷诺数的范围为3.0×105～9.0×105,叶栅出口马赫数Ma为0.8, MFR的范围是5.5%～12.5%,主流湍流度Tu为14.7%。实验结果表明:主流雷诺数升高显著增强了叶片表面的换热,使层流边界层到湍流边界层的转捩位置提前。对于吸力面S/C>0.2的区域(S/C为当地弧长与弦长之比),气膜冷却效率受MFR影响明显,当MFR大于7.7%时提高MFR会导致气膜冷却效率降低;该区域的换热系数比在中低雷诺数时受MFR影响较小,在高雷诺数时随MFR升高而升高。压力面S/C<-0.7区域的气膜冷却效率随MFR升高而升高,-0.7<S/C<-0.4区域的气膜冷却效率受MFR影响较小,对于整个压力面而言,MFR升高提高了叶片表面的换热系数。相对于叶片其它区域,压力面后半段区域和吸力面的气膜冷却效率受雷诺数影响较大。
2020年06期 v.41;No.276 1361-1370页 [查看摘要][在线阅读][下载 1506K] [下载次数：584 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：11 ] |[阅读次数：0 ]
- 王俨剀;邵增德;廖明夫;王鑫;
针对航空发动机盘腔积液故障难于监测和诊断的问题,将积液问题分为早期积液和严重积液,分别进行振动特征提取。研究了不平衡量和早期积液对转子振动的影响规律,基于幅频特性曲线区域面积分布特点,提出一个早期积液故障识别准则;分析了严重积液转子失稳振动特征,发现积液转子在发生失稳时会出现振动幅值突增、次谐波分量突增和拍振,基于振动特征提出三个严重积液故障识别准则。结合航空发动机实际工况,提出一套完整的积液故障监测方法和诊断流程,能够实现在转子失稳前发出预警,避免故障升级。通过30组实验数据进行验证,所提出的积液故障识别方法准确率达96%,具备工程应用价值。
2020年06期 v.41;No.276 1371-1378页 [查看摘要][在线阅读][下载 1490K] [下载次数：248 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：1 ] - 庾明达;徐自力;刘贞谷;冯志鹏;张毅雄;陈建国;
针对三维叶片时域流固耦合振动响应计算普遍耗时的问题,采用一种假设整体结构的模态位移,求解固体时域响应和实现高效网格变形,发展了一种3维时域流固耦合分析的整体弹性结构方法,并应用于压气机叶片0°和180°相位角的气动稳定性分析中。结果表明,所发展方法的计算结果与传统双向时域算法和文献的结果较为吻合,而计算效率相比于传统算法显著提升;在所分析的两个相位角下,叶片振动的气动阻尼均随流量减小先增大后降低,相比于0°相位角,180°下叶片的气动稳定性大幅提高,表明该方法能有效应用于叶片的工程流固耦合研究。
2020年06期 v.41;No.276 1379-1386页 [查看摘要][在线阅读][下载 1672K] [下载次数：248 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：3 ] |[阅读次数：0 ] - 姜乐;刘振侠;吕亚国;
为研究环下供油润滑系统中的流动过程和收油环收油效率的影响因素及其影响规律,基于VOF(Volume of fluid)两相流模型和滑移网格模型的数值计算方法,建立了环下润滑系统内部流场的计算模型。通过数值计算,获得了收油环的收油效率并验证了数值计算结果的有效性,分析和探讨了不同结构参数对收油效率的影响。计算结果表明:利用本文数值计算方法得到的收油效率和流动现象与已有实验和数值计算结果均一致;供油喷嘴角度和收油环外径均主要影响滑油射流冲击收油叶片的飞溅量和收油叶片切割滑油量,收油效率取决于二者的相对大小,θ=0°,θ=9°和r0=2mm,r0=6mm时收油效率取极大值;收油叶片数量和供油喷嘴与收油叶片间距离分别影响收油叶片切割滑油射流的时间间隔和滑油射流在到达收油叶片前的流动,不影响滑油射流冲击收油叶片的飞溅量和收油叶片切割滑油射流的量,对收油效率的影响较小。
2020年06期 v.41;No.276 1387-1395页 [查看摘要][在线阅读][下载 1675K] [下载次数：358 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：21 ] |[阅读次数：0 ]
- 马敏;范广永;王力;
为了减小电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography,ECT)传感器相邻极板间耦合电容引起电容测量时的噪声值,设计了差分电极传感器系统并对差分电极与测量电极距离进行参数优化。实验系统采用现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)直接数字频率生成模块生成数字量的正弦激励信号,通过D/A转化为正负交流信号分别对测量电极和差分电极进行激励。差分电极与测量电极到管道中点的距离比例约1:1.2时传感器灵敏度最佳,仿真图像误差降低至0.23,图像相关系数提升到0.84;实验中空场时的系统平均信噪比比普通传感器提升了5.10dB,满场时的系统平均信噪比提升了4.50dB,相邻电极对的静止电容减少至38%,而电容变化占用最多测量值,即62%。差分电极传感器系统经过电极之间距离的优化设计,传感器系统性能得到提升,通过实验验证其可行性,并且能够应用在滑油监测。
2020年06期 v.41;No.276 1396-1403页 [查看摘要][在线阅读][下载 1678K] [下载次数：341 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：15 ] |[阅读次数：0 ] - 姚太克;闻伟;杨刚;王亚妮;朱爱峰;
针对涡扇发动机加减速的特点和控制需求,在对比现有控制算法的基础上提出一种新的转速变化率(N-dot)闭环控制技术。通过引入积分补偿,消除了原理性稳态误差,且控制参数机理清晰,易于设计,具备较高的工程应用价值。针对控制回路切换带来积分饱和的技术难点,设计工程实用的输出回归抗积分饱和方法,实现与其它控制器协调工作。基于涡扇发动机开展了Matlab桌面仿真研究和台架试验验证,结果表明,本文提出的控制技术能够取得满意的控制效果:N-dot反馈能够很好跟随N-dot期望指令,跟随误差在当前期望值的±10%以内,控制算法对噪声不敏感,对于涡扇发动机加减速过程多控制回路切换场景,不存在回路干扰和积分饱和现象。
2020年06期 v.41;No.276 1404-1410页 [查看摘要][在线阅读][下载 1336K] [下载次数：391 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：11 ] |[阅读次数：0 ] - 强子健;鲁峰;常晓东;黄金泉;
针对状态估计器在航空发动机气路参数估计中响应迟缓、鲁棒性不强等问题,以未知输入重构的思路,提出了一种基于Super-twisting滑模观测器的航空发动机气路故障诊断方法。通过将健康参数考虑为未知输入,设计滑模切换项重构健康参数的变化量,由于避免了状态估计器设计中健康参数导数为零的假设,本文的方法在处理突变故障时拥有更快的响应速度。针对鲁棒性问题,提出了一种新的故障向量增广形式,通过将扰动项增广至健康参数向量中,观测器的重构信号能够同时估计出健康参数变化量以及扰动项的大小,实现扰动与部件故障的解耦,从而避免了不确定项对健康参数估计结果的影响。本文建立了民用涡扇发动机包线范围内的线性变参数模型,通过不同故障模式下的数值仿真,并与状态估计器比较,验证了方法的有效性。结果表明,设计的滑模观测器具有小于0.5%的估计误差,有效地提高了气路健康参数的估计速度,增强了对不确定性的鲁棒性。
2020年06期 v.41;No.276 1411-1419页 [查看摘要][在线阅读][下载 1289K] [下载次数：344 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：12 ] |[阅读次数：0 ]