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2021年  第36卷  第4期

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叶轮机械
紧凑式强预冷换热器叉排管束的大涡模拟
陈一鸣, 李泽鹏, 张俊强, 邹正平
2021, 36(4): 701-712. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2021.04.003
摘要 PDF(7614KB) icon175 icon266
摘要:
采用大涡模拟方法对紧凑式强预冷换热器叉排管束的对流换热问题进行了研究,并运用动力模态分解(DMD)方法对流场的拟序结构及换热统计特性进行了分析。结果表明:在计算工况内(Re≤6 000),前排管束的流动结构为有规律的剪切层运动和尾涡脱落。后排管束的流动结构为无规律的小尺度旋涡结构,同时其流场表现出无序性;前排管表面瞬时努塞尔数具有较为固定的波动频率,而后排管壁由于受到前排圆管脱落旋涡的无规律撞击,其管壁瞬时Nu无固定波动频率;在Re=2 600的工况下,管束内的熵产主要来源于换热而非耗散,主要流动结构对耗散熵产和换热熵产的贡献在管壁边界层和自由剪切层位置,其对前排管的熵产有较大贡献,而对后排管熵产的贡献较小。
低负荷和高负荷压气机叶栅气动性能的实验和数值模拟
原泽, 郑群, 岳国强, 董静涛, 姜玉廷
2021, 36(4): 724-733. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2021.04.005
摘要 PDF(5699KB) icon201 icon275
摘要:
为了明确采用高负荷设计及一般设计（低负荷）方法的压气机气动性能和流动转捩的差异，进行了不同攻角下的叶栅吸力面流谱绘制和参数测量实验。并基于实验边界条件，采用γ-θ转捩模型开展数值研究。结果表明：与低负荷叶栅相比，随着攻角的增大，高负荷叶栅主流附面层由附着流变为分离流，尾迹的宽度和损失强度增加，并与角区分离融合为一个“带状”损失区。而低负荷叶栅的角区分离仍为紧贴壁面的开式分离，主流附面层仍然附着在壁面上。结果表明：高负荷设计增强了叶栅内逆压力梯度，这使得流动更容易分离，表现为表面形状因子呈现大范围的“峰谷”型分布，转捩模式也由局部旁路转捩变为全叶高范围的分离泡转捩。
动力传输
直升机浮动渐开线花键微动磨损影响因素分析
肖立, 徐颖强, 陈智勇, 史新鑫, 李明旭
2021, 36(4): 751-766. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2021.04.008
摘要 PDF(7083KB) icon116 icon169
摘要:
为探究不同磨损影响因素对浮动花键磨损的影响程度,基于能量耗散理论,建立了花键副微动磨损预测模型,分析了扭矩、载荷波动、花键材料、摩擦因数、轴向不对中以及角向偏心对浮动花键的磨损影响规律;同时建立熵权-模糊关联分析模型,客观分析了不同磨损影响因素对花键磨损的关联程度。结果显示:基于能量耗散的微动磨损模型所计算的花键齿顶、齿中以及齿根位置处最大磨损深度的计算误差分别低于6.9%、2.4%和14%。轴向不对中下部分花键磨损位置从齿根往齿中位置偏移;角向偏心使得花键两端接触不良,导致两端磨损分布不均。同时发现角向偏心、轴向不对中以及材料对花键副的磨损影响程度较大,为浮动渐开线花键抗磨损方法研究提供技术支撑。
共轴对转封闭差动轮系固有特性及灵敏度分析
张栋林, 朱如鹏, 李苗苗, 扶碧波, 谭武中
2021, 36(4): 767-775. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2021.04.009
摘要 PDF(2491KB) icon113 icon220
摘要:
基于共轴对转封闭差动轮系的扭转动力学集中参数模型,求解了系统的固有频率和振型。理论分析了频率对刚度和质量的参数灵敏度,及频率变化轨迹中的模态跃迁现象。分析结果表明:根据振动特征可将系统振型分为扭转振动模式、行星轮振动模式和星轮振动模式,分别对应于系统的单根、L(行星轮数)-1和N(星轮数)-1重根频率;行星轮的个数对重根频率数值无影响;刚度变化率为正时,固有频率变化率为正,转动惯量变化率为正时,固有频率变化率为负;同种振动模式下的两条频率轨迹在接近时会发生模态跃迁。通过实例计算验证了理论分析的正确性,为共轴对转封闭差动轮系的固有特性分析与优化设计提供了依据。
燃烧、传热、传质
气体压缩性对流量系数的影响
胡文成, 张宝华, 沈忱, 王冬冬, 窦义涛, 绍志强
2021, 36(4): 776-782. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2021.04.010
摘要 PDF(3716KB) icon146 icon200
摘要:
通过理论和实验研究了气体压缩性对有效流通面积的影响。运用回归分析的方法对实验数据拟合,对比研究不同理论模型与实验数据的吻合程度。研究发现:供气压比小于1.081时,气体的压缩性影响较小。供气压比大于1.081时可压缩气体理论模型拟合曲线与实验数据吻合,不同供气压比状态的有效流通面积比较稳定。而不可压缩气体理论模型拟合曲线与实验数据偏离,不同供气压比状态下有效流通面积相差较大。
基于水膜流动与耦合传热的翼型防/除冰计算
辛苗, 钟国, 曹义华
2021, 36(4): 783-794. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2021.04.011
摘要 PDF(2826KB) icon101 icon168
摘要:
针对飞行器防/除冰过程中翼面上空气-水膜-冰层-机翼之间的耦合传质传热现象,建立了一种基于水膜流动与耦合传热模型的翼型防/除冰数值模拟方法。基于Myers水膜流动模型建立了防/除冰热载荷作用下翼面溢流水流动、积冰及内部温度分布的数值计算理论。对于翼型及冰层内的传热现象,利用焓理论及有限体积法建立了复杂多层结构传热的数值模拟方法,对于冰层相变过程,提出了一种基于焓理论的相变修正方法以考虑相变潜热对温度变化的影响。最终实现了翼型防/除冰过程的耦合计算，结果表明：通过结合不同界面处的传热边界条件和考虑了相变潜热效应的焓理论对水膜流动与翼型/冰层传热模型进行耦合求解，能够对翼型/冰层内温度分布进行准确计算，可实现对翼型防/除冰过程中溢流水流动及积冰特性的有效预测与分析。
结构、强度、振动
气流激励下叶片振动响应分析方法
田少杰, 漆文凯, 许正华
2021, 36(4): 826-838. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2021.04.015
摘要 PDF(4461KB) icon191 icon330
摘要:
为开展气流激励下叶片振动响应分析方法研究,建立了气动激振力预估方法,采用非线性谐波法对叶排进行三维非定常流动分析,获得叶片表面的脉动压力,编制流固转换程序,计算叶片所受的气动激振力。建立了叶片气动阻尼分析方法,基于能量法和弱耦合分析法,对叶片与流场进行流固弱耦合分析,将气动力对运动的叶片所做的气动负功等效为黏滞阻尼力所做的功,求得转子叶片的模态气动阻尼比。建立了叶片在气流激励下的振动响应分析方法,基于气动激振力和叶片模态气动阻尼比,采用模态叠加法分析叶片振动响应。使用该方法，针对发动机中1.5级压气机转、静子叶排模型，计算了转子叶片在真实流场中的气动激振力、前8阶模态气动阻尼比以及在气动激振力与气动阻尼共同作用下转子叶片的振动响应，振动应力达到100 MPa。
火箭发动机
气液针栓喷注单元雾化角模型
张波涛, 李文龙, 李平
2021, 36(4): 839-850. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2021.04.016
摘要 PDF(4071KB) icon111 icon179
摘要:
为了准确预测气液针栓喷注单元的雾化角,基于动量守恒建立了液束撞击气膜的雾化角理论模型,通过试验结果获得变形因子,并分析了结构参数和工况参数对雾化角的影响规律。结果表明：局部动量比对雾化角影响最大,其他结构参数和工况参数都是通过影响局部动量比而进一步决定雾化角;随着局部动量比增大,液束变形程度减小,液束变形导致有效撞击动量比小于几何动量比。根据试验结果分段给出了变形因子,当局部动量比范围为0～3时,变形因子推荐值为0.61,当局部动量比范围为3～4.5时,变形因子推荐值为0.70,当局部动量比范围为4.5～7.2时,变形因子推荐值为0.75,引入变形因子的理论预测值与试验结果吻合很好,该模型可为气液针栓喷注器的理论研究和工程设计提供参考。
温度冲击下变截面圆孔装药的热力耦合分析
刘远祥, 卢莹莹, 胡少青, 傅学金, 李宏岩, 张皓媛
2021, 36(4): 851-860. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2021.04.017
摘要 PDF(4564KB) icon109 icon174
摘要:
为研究温度冲击载荷对某改性双基推进剂装药结构完整性的影响,基于热力耦合基本理论,开展了不同温度下改性双基推进剂力学松弛试验,得到了不同温度下松弛模量的6阶Prony级数及以293.15 K为参考温度的时温等效W.L.F(Williams-Landel-Ferry)方程。利用Ansys有限元软件对由333.15 K降低至218.15 K的温度冲击条件下装药结构完整性进行分析,结果表明:装药的温度和应变在温度冲击前期变化较剧烈,至12 000 s时基本达到平衡,装药前端面两个拐角处在温度冲击前期发生破坏;为验证仿真计算结果,开展了由333.15 K降低至218.15 K的温度冲击试验。在温度冲击过程中,药柱沿轴向和径向出现裂纹,起裂点为推进剂装药前端两个拐角。温度冲击试验结果验证了仿真计算的准确性,说明该计算过程可用于装药结构完整性分析。
自动控制
小型航空活塞发动机喷油异常的故障诊断
沈峘, 赵飞, 毛建国, 张晨, 胡委
2021, 36(4): 861-873. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2021.04.018
摘要 PDF(5060KB) icon136 icon162
摘要:
针对小型航空活塞发动机出现的喷油异常故障,基于发动机的缸内压力和缸盖振动信号,采用一种变分模态分解和布谷鸟搜索优化支持向量机相结合的故障诊断方法对发动机喷油异常故障进行诊断。该方法使用变分模态分解对发动机的缸内压力信号和缸盖振动信号进行处理得到本征模态函数,对本征模态函数进行奇异值分解和能量特征提取,将缸内压力和缸盖振动的数据集输入布谷鸟搜索算法优化的支持向量机模型中进行训练和测试。结果表明:该方法较好地识别出发动机喷油异常的故障,其中缸内压力和缸盖振动信号的故障识别分类准确率分别为95.32%和92.47%,验证了该方法的有效性。
安全性、适航
基于Simscape模型的航空发动机系统安全性分析方法
楚娜娜, 张曙光, 高艳蕾, 魏志远, 邵年
2021, 36(4): 885-896. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.2021.04.020
摘要 PDF(2846KB) icon212 icon452
摘要:
针对航空发动机系统安全性分析中的耦合情况,研究基于Simscape模型的航空发动机耦合故障建模和安全性分析问题。在基于模型的安全性分析(MBSA)故障拓展一般特点的基础上,分析了Simscape环境下进行故障外部拓展和建模语言内部故障拓展两种方式,以建立耦合故障模型。以全权限数字式发动机控制(FADEC)主燃油控制子系统为研究示例,进行独立和耦合故障形式化系统安全性分析。结果表明：航空发动机系统安全分析Simscape模型基于系统设计环境，可直接成为系统设计和安全性分析共同的工具，便于保证设计和安全性分析的一致性；该模型拓展方法和建模语言，从故障数学原理出发，对实际系统不同物理域的组件独立和耦合故障特性具有灵活和定量描述能力；由此拓展的故障模型下的安全性分析具有形式化、直观性和客观性的优势。

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