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2022年  第37卷  第3期

燃烧、传热、传质
基于光强反射和压电振动的混合式结冰探测系统
肖春华, 王宏伟, 乔宝英, 谢小辉, 赵丹
2022, 37(3): 449-456. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20200470
摘要:
为解决目前飞机结冰探测存在测点单一,测量不准确、探测位置不匹配的问题,基于光强反射方法研制了光纤结冰传感器,基于压电振动方法研制了平膜结冰传感器,将两者进行组合嵌入至NACA0012翼型,研制了一种适合飞机翼面、多点分布测量的混合式结冰探测系统,并在低温冷库、结冰风洞中进行了测试。研究表明:多点分布测量的混合式结冰探测系统不仅能发挥光纤结冰探测和平膜结冰探测各自的优势,还能实现翼表面的结冰探测,响应时间不超过0.5 s,结冰厚度测量范围可从0.2 mm到3 mm,可靠性优于单点测量的结冰探测棒,是具有发展前景的一种新型结冰探测技术。
无人机油箱地面洗涤惰化性能
李超越, 冯诗愚, 彭孝天, 徐雷, 王志凌
2022, 37(3): 457-464. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20200483
摘要:
提出了无人机油箱地面洗涤惰化技术理论和方法,利用CFD方法研究了采用地面洗涤惰化技术降低油箱气相空间氧体积分数并使无人机油箱在地面和飞行条件下仍然保持惰化状态的可行性。利用volume of fluid(VOF)两相流模型和自定义传质方程计算了不同油箱初始氧体积分数和载油率下气相空间氧体积分数的变化情况,结果表明:在相同的飞行时间,气相空间氧体积分数随着初始载油率和油箱初始氧体积分数的增加而增加;当油箱初始氧体积分数不高于2%,且初始载油率不高于50%时,飞行过程中油箱气相空间氧体积分数始终低于9%,满足军用飞机油箱惰化要求。研究可为无人机油箱地面洗涤惰化边界设计提供参考。
旋流器型式对空气雾化喷嘴雾化特性影响规律
桂韬, 夏丽敏, 邱伟, 房人麟
2022, 37(3): 465-477. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210163
摘要:
采用试验与数值计算相结合方法研究了不同旋流器型式对双旋流式空气雾化喷嘴喷雾特性的影响规律。采用粒子图像测速(PIV)测量了不同空气雾化喷嘴下游流场结构,并且采用高速摄影仪和激光粒度分析仪,对不同空气流量和燃油流量下的双级旋流空气雾化喷嘴的油雾场形态、索太尔平均直径(SMD)、Rosin-Rammler分布进行试验研究;同时采用数值计算方法获得了带双级轴向旋流器的空气雾化喷嘴二次雾化特性。结果表明:相同的工况条件下,带双级轴向旋流器的空气雾化喷嘴雾化锥角会稍大于径向旋流器。带双级径向旋流器的空气雾化喷嘴主要依靠离心喷嘴本身进行雾化,空气雾化效果有限,而带双级轴向旋流器的空气雾化喷嘴在进出口总压损失较小时离心喷嘴本身的一次雾化占主导地位,在总压损失增大后气动雾化效果逐渐起主要作用。数值计算结果与试验结果符合较好,表明该数值计算方法可用于空气雾化喷嘴雾化过程数值模拟,并且利用数值计算结果解释了燃油二次雾化过程。
大型结冰风洞中冰晶热/力平衡特性数值研究
郭向东, 胡站伟, 丁亮, 易贤, 张平涛
2022, 37(3): 478-491. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210157
摘要:
为明晰大型结冰风洞中冰晶热/力平衡特性,发展了基于欧拉法的冰晶运动和传热传质耦合计算方法,模拟了典型大型结冰风洞构型内冰晶运动和传热过程,从沉降收缩、动量平衡和热平衡三个方面,考察了颗粒形状和体积密度的影响。结果表明:颗粒形状和体积密度对小尺寸冰晶的热/力平衡特性无显著影响。降低颗粒球形度和体积密度会抑制大尺寸冰晶沉降收缩,增大构型出口处冰晶云雾覆盖范围。减小颗粒球形度和体积密度会增大颗粒修正阻力系数和修正努塞尔数,提高颗粒动量跟随性和热跟随性,促使构型出口处大尺寸冰晶趋近动量平衡和热平衡状态。在典型大尺寸冰晶计算工况下,构型出口处球形颗粒的速度差和温度差约为21 m/s和8.6 ℃,而平板形低体积密度颗粒的参数偏差则分别约为1 m/s和5.8 ℃。
带凹坑圆孔气膜冷却流动传热特性
王海, 范芳苏, 浦健, 王建华, 刘明侯, 王春华, 陆海鹰
2022, 37(3): 492-501. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210174
摘要:
利用大涡模拟方法对平板带凹坑气膜孔冷气射流与主流的相互作用展开研究,并结合红外热成像壁温测试和粒子图像测速结果进行实验验证,揭示了凹坑对气膜冷却的强化机理。结果表明:凹坑在气膜孔下游诱发反肾型涡对,将冷气向壁面卷吸,改善了气膜贴壁性;与圆孔气膜冷却相似,凹坑气膜冷却流场也出现马蹄涡、发卡涡等大尺度拟序结构,但与圆孔下游的单串列发卡涡不同,凹坑尾缘的“内凹”造型诱发两串并列的发卡涡,且发卡涡结构在大吹风比工况下也较圆孔稳定;脉动信号的频谱分析表明凹坑孔气膜冷却射流周期性弱,流场中低频振荡占主导作用。整体而言,凹坑造型增强了气膜射流的展向扩张,其冷却性能优于圆孔。
高温来流下U型脉冲爆震燃烧室燃烧特性试验
谭汶昊, 郑龙席, 卢杰, 王凌羿, 黄康
2022, 37(3): 502-510. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210159
摘要:
为了获得高温来流下气/液两相多循环U型脉冲爆震燃烧室(U-PDC)的燃烧特性,使用汽油/空气为燃料和氧化剂开展了相关试验研究。结果表明:当来流温度为373 K,U-PDC能够在15~38 Hz范围内稳定工作,且随着工作频率提高爆燃向爆震转变(DDT)距离缩短;在室温条件下、工作频率为15~25 Hz时,未能形成充分发展爆震波,表明高温来流可促进DDT过程。在室温条件下、工作频率为15~25 Hz时,由于U型爆震弯段内可燃混气分布不均匀,U型爆震弯段外侧监测到火焰的时间晚于U型弯段出口,当来流温度升至373 K后该现象明显改善。此外,U-PDC的点火起爆时间在3~10 ms内,且点火延迟时间是影响点火起爆时间的主要因素;U-PDC工作频率相同、来流温度从室温升高至373 K或来流温度相同、U-PDC工作频率提高时,波速随之提高,点火起爆时间缩短。
机载综合热管理系统控制特性分析
周旭, 姜春英, 李胜宇, 陈蒙, 毛艳娥
2022, 37(3): 511-522. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20200441
摘要:
以简化的机载综合热管理系统作为研究对象,对系统在不同控制模式下的变化特性进行分析,为系统控制方案的研究提供了理论依据。利用数学模型和计算机模型相结合的方法建立起一种以燃油为主要热沉,具有空气/燃油换热器、燃油/PAO(聚α烯烃)换热器等主要元器件的机载综合热管理系统整体模型,并提出一种模糊自整定的PID(比例-积分-微分)控制方法对燃油/PAO换热器和电子设备热变化等系统特性进行分析。结果表明:在热极限工况下,相对于开环控制,模糊自整定PID控制模式不仅能有效地控制燃油泵等一系列设备保持合适的转速,还可以保证电子舱及燃油/PAO换热器的出口温度保持在既定范围以内,进而满足机载综合热管理系统的设计要求。
不同结构的冷却管脉冲射流流动响应特性
蔡可信, 毛军逵, 徐启明, 毕帅, 王磊, 周洁
2022, 37(3): 523-533. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20200372
摘要:
探究了结构参数对脉冲射流经冷却管内流动响应规律。在脉冲频率为1 Hz,雷诺数为5 000,脉冲射流占空比为50%的气动参数下,对冷却管管径射流孔孔径、孔间距的变化对脉冲射流流动响应特性带来的影响依次分析,对结构参数对脉冲射流在冷却管内流动响应特性产生影响的内在机制进行综合阐述。针对上述结构参数拟合出冷却管射流质量系数随冷却管管径、射流孔孔径、孔间距变化的经验关系式,为优化阵列脉冲射流的冷却管结构设计提供数据基础。研究发现,冷却管射流速度的响应时间、迟滞时间均随着冷却管管径、射流孔孔间距和孔径的增加而减小。随着冷却管管径增大,射流孔孔径减少,孔间距减少,冷却管内射流速度系数增大,冷却管内压力增大,流容减少。
非均匀速度来流条件下液体射流喷雾特性
孔祥壮, 何悟, 郭志辉
2022, 37(3): 534-544. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210151
摘要:
实验研究了非均匀速度来流条件下液体横向射流喷雾特性。实验利用多孔板实现速度的不均匀,应用片光照相得到喷雾中心截面照片,使用相位多普勒粒子分析仪(PDPA)测量液滴的直径和速度。实验结果表明:在非均匀速度来流中,射流的弯曲和破碎机理有所不同,导致穿透深度和雾化特性发生改变。与均匀速度来流相比,正速度梯度来流时射流穿透深度更大,液柱破碎高度增大,浓度场分布更加均匀,射流呈现平抛形态;负速度梯度时喷雾场整体内移,浓度场呈明显分层结构,射流尾迹区增长,射流为坍塌形态。初步提出适用于非均匀速度来流条件下的射流穿透深度经验公式。非均匀速度来流可以改善雾化及均匀度,其中负速度梯度来流时液雾的索太尔平均直径(SMD)最小。
气膜冷却射流对叶片微细颗粒沉积影响
赵传鹏, 刘松, 谭晓茗, 王春华, 张靖周, 郭文
2022, 37(3): 545-554. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210156
摘要:
针对微细颗粒在涡轮叶片表面的沉积问题,采用EI-Batsh沉积模型对涡轮叶片表面微细颗粒沉积情况进行数值仿真,探究压力面冷却射流对颗粒沉积特性的影响。研究表明:沉积主要发生于叶片前缘与压力面,且沉积率随着粒径的增大不断增大,但粒径增大到17 μm后沉积率增加幅度开始变小。存在冷却射流时,射流可以通过吹离和卷吸作用影响小粒径颗粒的碰撞率,从而影响到沉积率,但对大粒径颗粒碰撞率基本不存在影响。射流还可以通过冷却壁面降低颗粒黏附率,进而影响沉积率,且大粒径颗粒所受影响更明显;改变吹风比后,颗粒沉积率随吹风比增加总体上呈现出先减小后增大的趋势。
飞行器热防护与利用一体化系统实验与模拟
许巍, 赵俊伟, 袁本立, 隆瑞, 刘志春, 刘伟
2022, 37(3): 555-563. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210161
摘要:
通过设计一种基于主动冷却的点阵桁架结构,在降低飞行器质量的同时,实现有效的热防护效果,并在该结构中加入半导体温差发电装置,将产生的气动热转化为电能,可用于飞行器小型用电设备供电。对该热防护与利用一体化系统进行了实验研究。在不同工况下,温差发电功率远大于主动冷却系统的泵功消耗,可实现主动冷却系统的自驱动。通过添加管内表面凸起和螺旋扭带扰流对翼前缘主动冷却点阵桁架结构热防护性能进行了优化研究。结果表明:管内凸起和扭带耦合时能明显改善系统的热防护性能,在流速为0.1 m/s情况下,以水为冷却工质时,外面板和内面板最高温度较光管情况下分别下降了14.4%、17.8%;以煤油为冷却工质时,两者分别下降了15.0%、34.5%。
结构、强度、振动
大涵道比分排涡扇发动机涡轮轴断裂过渡态性能仿真
丁水汀, 王家俊, 刘传凯
2022, 37(3): 564-572. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210142
摘要:
为了研究双轴大涵道比分排涡扇发动机轴断裂失效后的动态性能,找出涡轮轴断裂后最先发生的危害事件,建立能够模拟气流参数毫秒时间量级动态响应的大涵道比分排涡扇发动机共同工作方程和性能模型。计算分析了地面起飞状态和巡航状态下某大涵道比民用涡扇发动机分别在高、低压轴断裂后发动机气路参数的瞬态响应规律和机理,为主被动安全设计提供参考。结果表明:高、低压轴断裂后几十毫秒内最先发生的危害性事件分别是中压压气机喘振和涡轮转子超转;同时涡轮前温度会有所升高。
航空发动机全寿命维修概率建模与仿真
孙见忠, 易杨, 文洪, 王鹏, 邵传金
2022, 37(3): 573-588. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210160
摘要:
由于生产制造、运行环境和使用条件等个体性差异,航空发动机部件性能/寿命不确定,进一步导致机队送修率和小时维修费率等运维指标不确定。为了量化评估部件设计可靠性、运行环境、维修决策等不确定性因素对机队运维指标(送修率、送修原因、平均拆换时间间隔、小时维修费率等)的影响,提出了一种航空发动机全寿命周期维修概率建模方法。该方法基于不同环境下各潜在送修原因的寿命分布,结合维修决策规则和维修任务成本,通过离散事件仿真,对发动机进行全寿命周期维修事件概率建模。以典型民用大涵道比涡扇发动机为仿真对象,3种运行环境下发动机送修率均值分别是0.029 1、0.038 4和0.059 8,单位飞行小时维修成本分别为每飞行小时82、91和119美元,综合部件设计可靠性与维修决策对运维指标的影响,结果证明所提出建模方法可行性和有效性。
新型高温渗碳不锈航空齿轮钢齿轮的弯曲疲劳失效机理
唐鑫, 朱如鹏, 杨卯生, 唐朋, 李发家, 熊兴波
2022, 37(3): 589-599. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210155
摘要:
以新型高温渗碳不锈航空齿轮钢圆柱齿轮为研究对象,采用国标GB/T 14230-1993规定的“B试验法”开展了齿轮弯曲疲劳试验,并对轮齿的断裂的失效机理进行了研究。分析结果发现存在三种造成轮齿断裂失效的诱因:表面碳化物、表面缺陷和内部碳化物。其中,表面碳化物对轮齿弯曲疲劳寿命的影响比内部碳化物和表面加工缺陷都要严重。当齿面没有碳化物和加工缺陷时,在长时间循环应力作用下会产生内部碳化物,进而造成裂纹萌生和扩展,较小尺寸碳化物会形成粗糙的“鱼眼”区形貌。采用航空新型高温渗碳不锈航空齿轮钢的齿轮要得到较高的寿命,应当在加工过程中控制轮齿表面及近表面碳化物尺寸、数量及形状系数和表面加工缺陷,以避免在轮齿表面形成裂纹源。
时变因素作用下薄壁筒工件车削振动特性与实验
刘一沛, 吕凯波, 张志浩, 田美霞, 王鑫
2022, 37(3): 600-606. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210454
摘要:
针对薄壁筒类工件的切削颤振问题,采用理论建模、数值仿真和实验测试相结合的方法,研究切削过程中时变工件厚度和切削位置对薄壁筒振动特性的影响规律。利用有限元法建立主轴-卡盘-工件工艺系统模型,分析不同壁厚、切削力位置对薄壁筒切削系统的固有模态、频率响应函数的影响。结合模态实验与切削振动实验表明:薄壁筒周向壳体模态对于壁厚的变化更为敏感,且沿工件轴向不同切削位置处工艺系统的振动响应及其主振模态有所不同;切削加工表面出现的沟槽、鱼鳞状等颤振纹理分别与工艺系统的低阶轴向梁振型、周向壳振型相关。研究结果对薄壁筒切削颤振的预测与抑制具有理论指导意义。
叶轮机械
基于改进Gappy POD方法的压气机叶栅气动外形反设计方法
刘汉儒, 马岩, 赵星宇, 王掩刚, 胡佳伟, 李丽丽, 蒋永松
2022, 37(3): 607-618. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210139
摘要:
针对压气机叶栅气动高效反设计,建立了基于Gappy proper orthogonal demcomposition(Gappy POD)的气动外形反设计框架。通过Kriging代理模型优化获得某型压气机叶栅的气动优化结果,并以此作为反设计目标基础。为进一步提高基本Gappy POD反设计的效率及精度,发展了基于自适应快照替换优化和修正目标压力系数分布的两种改进方法,并对基本Gappy POD结合两种改进策略的反设计精度和效率进行了详细对比。结果表明:基于自适应快照替换优化流程的反设计框架使得反设计精度明显提高,叶片表面压力系数分布方均根误差从6.49×10-3降低到1.29×10-3,而通过修正目标压力系数分布则提高了单次反设计精度。将两种改进策略同时结合改进Gappy POD,能够获得在同等设计精度下更快的收敛速度,可为压缩系统几何部件反设计提供新的高效方法。
基于正反问题耦合的压气机特性快速预测方法
宋召运, 王宝潼, 范腾博, 郑新前, 冯旭栋
2022, 37(3): 619-628. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210072
摘要:
提出一种基于正反问题耦合的压气机特性快速预测方法,根据压气机一维设计理论,通过对满足流量及压比设计指标的反问题求解快速得出压气机的气动布局方案,在此基础上结合非设计点损失和落后角模型通过正问题求解得出全工况压气机特性,再根据预测特性与目标的偏差调整气动布局方案,以此通过对正反问题的耦合求解实现对压气机特性的合理快速预测。为了提高压气机特性预测精度,发展了基于遗传算法的压气机损失和落后角模型参数优化校准方法,该方法利用优化理论及实验数据对传统的压气机损失和落后角模型进行改进。利用三台压气机的实验结果对模型进行了校准与验证,验证结果表明:设计点效率预测误差为0.23%,非设计点为1.34%,满足发动机需求分析及概念设计阶段对压气机效率的预测精度要求。
基于高维机器学习方法的离心泵扭曲叶片优化
姜丙孝, 杨军虎, 王晓晖, 史凤霞, 毛士宇
2022, 37(3): 629-638. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210143
摘要:
提出将高维表示方法与机器学习中的支持向量机方法结合对离心泵扭曲叶片优化。选用1台中比转速离心泵为研究对象,通过对扭曲叶片3条叶片型线的参数化,分离控制变量并确定代理模型的训练空间。经过对离心泵扭曲叶片水力模型的算法学习,得到以叶片型线参数为自变量,效率为目标函数的离心泵代理模型,运用遗传算法求解并反馈叶片型线参数。采用数值模拟及试验的方法验证了代理模型的预测结果,并从动能方程的角度分析了优化前后扭曲叶片叶轮内流场的变化。结果表明:在设计工况点,优化后的扭曲叶片离心泵数值模拟效率值比原型泵提高了1.72%,扬程提升了0.41 m,试验效率值比原型泵提高了1.5%,扬程提升了0.35 m。
气动热力学与总体设计
基于神经网络的减阻沟槽壁面形状优化
李超群, 唐硕, 李易, 耿子海
2022, 37(3): 639-648. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210683
摘要:
针对沟槽外形减阻问题,采用基于神经网络的方法对沟槽壁面形状进行外形优化。模型采用槽道流动模型,控制方程为黏性不可压缩Navier-Stokes(NS)方程,流动求解采用直接数值模拟(DNS)方法,对于对流项的离散采用紧致4阶中心格式,对黏性项的离散采用4阶中心格式,时间推进采用3阶Runge-Kutta格式。在神经网络优化过程中,约束方程为不可压NS方程,采用基于在线学习的自适应控制器,使用基于抑制展向切应力的控制律,控制量的产生由壁面变形提供。优化结果表明,壁面最大减阻效果可达17.41%。对于优化后的壁面,湍流强度降低了19.68%,同时壁面的涡量与雷诺切应力亦有所降低。由于湍流流动非定常,因此优化得到的壁面形状亦是时变的,但变化的过程中整体上仍呈现流向沟槽的形状。
飞机登机门缝典型腔体噪声数值模拟
李嘉敏, 陈国勇, 杨小权, 唐小龙, 丁珏, 翁培奋
2022, 37(3): 649-663. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210584
摘要:
为了研究某飞机飞行中因登机门修型而产生的强烈啸叫问题,结合机身表面流动特征和登机门缝腔体的实际构型,建立符合实际流动特征的二维不规则腔体模型,采用脱体涡模拟结合Ffowcs Williams-Hawkings积分方程的混合方法对两种类型的登机门带肩壁腔体进行流动和噪声特性的数值模拟,分析了登机门缝纯音噪声的产生机理。结果表明:对于单肩壁门缝腔体,长深比的增大使得腔体内旋涡之间相互作用加剧、腔内压力脉动更加剧烈,远场总声压级平均增大3~10 dB,表明门缝腔体的长深比对噪声水平有明显的影响。建立的某飞机登机门缝不规则二维腔体模型符合物理实际,数值计算得到的纯音频率基本落于试飞测试得到的纯音频率区间内,能够反映该飞机登机门啸叫噪声的主要物理特征。
火箭发动机
前后翼型装药结构SRM气固两相流动特性
张俊, 秦磊, 高天宇, 王明华, 金沈鑫, 高璞清
2022, 37(3): 664-672. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210137
摘要:
基于可压缩流动强守恒型Navier-Stokes方程,运用颗粒轨道模型(PTM)和shear stress transfer(SST)k-ω湍流模型,采用计算单元内颗粒源法(PSIC)进行气固两相耦合计算,建立了某型前后翼型装药结构固体火箭发动机(SRM)工作初期的三维两相内流场数值计算模型。对比分析了纯气相和气固两相条件下的SRM内部压强场、速度场、粒子沉积质量浓度和分布规律;重点研究了SRM燃烧室和喷管不同部位的颗粒沉积质量浓度,并考虑了不同颗粒物粒径、横向及纵向过载等因素的影响。结果表明:前后翼型装药结构SRM工作过程所产生的固体粒子主要集中于药柱前翼、后翼及筒段壁面;随着颗粒物粒径增加,各监测面上的粒子沉积质量浓度均升高;横向过载量与承载面最大颗粒沉积量呈正相关,且承载面和非承载面的粒子分布不均匀;随着轴向过载增加,颗粒物沿过载方向不断积累,逃逸率升高,沉积量降低;过载所引起的颗粒物方向偏转将同时影响燃烧室和喷管壁面的粒子沉积质量浓度,在前后翼型装药结构SRM绝热层设计中应充分考虑。