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2010年  第25卷  第12期

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叶轮机械
叶顶吹气对低速轴流压气机间隙流动 影响的数值研究
戴丽萍, 张辉, 康顺
2010, 25(12): 2643-2649.
摘要 PDF(1169KB) icon1573 icon407
摘要:
为了评价叶片顶部吹气对间隙流动的影响,采用NUMECA软件对带有叶顶吹气的叶栅流场进行了计算,并将其与不带吹气的基准叶栅流场结果进行了对比、分析.结果表明:叶顶吹气的位置和角度都对间隙流动有着较大影响.按周向和径向方向吹气时对泄漏流量密度的分布有一定的影响,但对稳定工况范围的影响不大;按一定的轴向方向吹出时可抑制间隙引起的流动分离,进而增大压气机的失速裕度.
轴流压气机静子叶片非定常表面压力试验
王英锋, 胡骏
2010, 25(12): 2650-2655.
摘要 PDF(949KB) icon1727 icon401
摘要:
对一台单级轴流压气机静子叶片非定常表面压力进行了测量.叶片非定常表面压力分析表明:失速前,叶片非定常表面压力的主要影响因素为相邻叶排叶片的尾迹和势扰动,叶片非定常表面压力及气动力波动的幅值大小取决于压气机的总压升,主导频率为叶片通过频率及其倍频(主要为2倍频和3倍频),其频率是转子转动频率的整数倍;失速后,叶片非定常表面压力的主要影响因素转变为旋转失速团,主导频率为失速团频率,其频率小于转子转动频率.
基于统计特征的轴流压气机喘振检测
李长征, 熊兵, 韩伟
2010, 25(12): 2656-2659.
摘要 PDF(788KB) icon2034 icon421
摘要:
在分析四种型号轴流压气机36组试验数据的基础上,统计发现压气机出口总压脉动的有效值服从正态分布;有效值及其标准差因机型不同而不同,并随工作转速变化而变化.设计了基于统计特征的自动门限喘振在线检测系统.通过试验验证显示,可在喘振发生时发出报警信号.该方法计算简单,具有较大的工程应用价值.
基于环量分布的轴流双级风扇三维数值优化
何柳, 单鹏
2010, 25(12): 2660-2672.
摘要 PDF(1675KB) icon1496 icon450
摘要:
将通流设计程序和叶片造型程序引入到遗传算法同响应面模型相结合的优化系统中,调用流场模拟软件,搭建了三维轴流压气机叶片的优化平台.该优化技术有四个特点:一是为与现代设计系统相接轨,不同于常见的用纯几何方法生成叶片,采用了传统的反问题设计方法生成三维叶片;二是不同于直接优化几何参数,优化自变量选取了设计中具有物理意义的气动参数;三是针对多级压气机的优化,提出了逐级优化策略;四是在优化过程中引入了直观分析法.算例选取了环量分布作为优化自变量,对某轴流双级风扇进行了以极大化非设计点流量为目标的优化;又对其改型设计进行了以极大化设计点绝热效率为目标的优化.
Rotor 37顶隙泄漏流的演化、影响及机匣处理
黄旭东, 陈海昕, 符松
2010, 25(12): 2673-2682.
摘要 PDF(1785KB) icon1992 icon385
摘要:
在详细研究顶隙泄漏流的结构及其演化的基础上,分析了Rotor 37的失速机理,并对不同深度、宽度和位置的环向沟机匣处理方式进行了比较研究.研究发现:在该研究的顶隙高度下,发生在叶尖尾缘附近的大面积流动分离是造成压气机失速的直接原因.因而布置在叶片中段和尾缘的环向沟有利于提高压气机的喘振裕度.同时还发现,环向沟的深度对于其产生作用并没有明显的影响,而其宽度的影响则较为明显.
湍流模型对压气机数值模拟精度的影响
尹松, 金东海, 朱芳, 桂幸民
2010, 25(12): 2683-2689.
摘要 PDF(1240KB) icon1624 icon414
摘要:
开发了一个求解叶轮机全三维黏性流场的程序,采用了目前叶轮机数值模拟中常用的且模拟性能较好的三种湍流模型:k-ε模型,k-ω模型,Spalart-Allmaras(S-A)模型,计算了跨声压气机NASA(National Aeronautics and Space Administration) Rotor 37的流场,并与实验进行了性能参数、三维流场和角区流动的对比分析.考察在相同的数值计算平台上进行比较这几个湍流模型对压气机的数值模拟性能的影响.最终结果表明:对于具有强剪切、存在分离流的复杂的叶轮机三维流场来说,k-ω模型数值模拟精度更高,相比其他两个模型具有一定的优势.
一种微型涡轮发动机导向器改进方案
宣建光, 邱建, 夏晨, 黄国平
2010, 25(12): 2690-2696.
摘要 PDF(970KB) icon1619 icon390
摘要:
为了提高发动机性能,克服微型涡轮发动机(MTE)的尺度小等因素导致其导向器内流动损失大的缺点,采用了整体叶片式导向器设计技术对某MTE-C微型发动机涡轮导向器进行了改型设计.首先采用NAPA软件对MTE-C微型发动机的整体叶片式导向器进行数值模拟,通过流场分析得到了原型导向器设计中导致流动效率低下的不足之处,并以此为理论依据,对导向器进行了改进.改进型导向器的整级数值模拟结果表明,涡轮在设计点的效率提高了15%, 且在宽广的工作范围内其通流能力和效率均得到了明显的提升.
组合抽吸对大转角扩压叶栅性能的影响
郭爽, 陈绍文, 陆华伟, 宋彦萍, 陈浮, 王仲奇
2010, 25(12): 2697-2703.
摘要 PDF(1129KB) icon1576 icon410
摘要:
实验研究了低速条件下在端壁和吸力面同时进行附面层吸除对某大转角扩压叶栅性能的影响.在叶片表面及端壁进行了墨迹流动显示,并对叶栅出口截面进行了测量.基于实验的抽吸槽布置方式:端壁吸气主要影响区域是吸力面角区;吸力面抽吸可以减小角区范围,延迟叶片吸力面附面层转捩,改善中径处流场;组合抽吸则优化了叶栅整体流场,使流动更加均一高效,由于削弱了端壁和吸力面附面层间的相互作用,组合抽吸在大吸气量下优于前两种吸气方式.
光学压力敏感涂料测量技术及其 在内流场的应用
郑立新, 郝重阳, 周强, 刘波, 陈柳生, 金熹高
2010, 25(12): 2704-2710.
摘要 PDF(1077KB) icon1497 icon372
摘要:
介绍了应用基于发光强度的全域压力测量方法进行叶片表面压力分布的一系列实验结果.在自主建立光学压力测量系统和自主研发国产压力敏感涂料的基础上,对高亚声速叶栅风洞出口处大弯度孤立叶片吸力面和对转压气机实验平台出口整流叶片吸力面的压力分布进行了测量,并采用传统电子静压扫描装置在高亚声速叶栅风洞中进行了同步测量.光学压力测量与电子压力扫描结果的对比表明所建立的光学压力测量系统可用于内流场测量,其精度达到了工程应用水平.
上游尾迹入射角对压气机叶片负荷的影响
杨荣菲, 李秋实, 李志平, 周盛
2010, 25(12): 2711-2715.
摘要 PDF(922KB) icon1499 icon375
摘要:
压气机叶片负荷的提高使得叶片表面边界层更容易分离,利用上游叶排产生的非定常尾迹能够抑制边界层分离.运动圆柱代替上游转子,在保证下游叶片进气速度大小及攻角不变的情况下,改变圆柱运动速度以获得上游尾迹与下游静叶吸力面不同的夹角,发现在低负荷小分离情况下静叶损失系数与上游尾迹入射角无关;高负荷大分离情况下静叶损失系数随上游尾迹入射角的增加而降低.分析尾迹作用下高负荷静叶通道内流场,当进入静叶通道的尾迹与叶片吸力面近似平行时,尾迹诱导边界层增厚.使得叶片表面分离泡随时间大幅值脉动,损失增加;当尾迹与叶片吸力面的角度逐渐垂直时,尾迹抑制了边界层分离,同时叶片表面分离泡位置近似不变,其原因是尾迹以负射流形式进入边界层内部,补充了边界层内部低能流体,使得损失减小.
CFD中数值耗散和延伸边界对声传播的影响
赵磊, 乔渭阳
2010, 25(12): 2716-2720.
摘要 PDF(858KB) icon1241 icon398
摘要:
对已知色散关系的正弦波在二维管道中的传播使用有限体积法进行计算,结果表明二阶精度下每波长40个左右的网格点能够有效地保留声波.在计算域外增加稀疏网格延伸段能够对边界反射起到抑制作用,为以较小的计算量增加实现较好的反射抑制效果,研究给出了延伸段长度和网格轴向尺寸的推荐公式.
弯曲流道内二次流动的运动学分析和 数值可视化方法
刘庆龙, 戴斌, 戴韧, 陈康民
2010, 25(12): 2721-2727.
摘要 PDF(1164KB) icon1329 icon387
摘要:
通过运动学分析,得到了涡量与二次流之间的关系方程,介绍了弯曲流道内二次流结构的可视化方法.以截面法向涡量为基础,可求解得到与涡量对应的二次流速度场.该方法具有以下几个特点:从运动学求解得到的涡量与二次流流函数之间的方程,直接体现了二次流作为涡的特性,且作为分析流动结构的后处理方法,能够量化地求解出二次流速度以及分布情况.该方法消除了位势流的影响,使二次流显示更加真实清晰,这种方法比速度矢量图法更加准确完善.
气动热力学与总体设计
基于小波奇异分析的流场计算方法及应用
王保国, 吴俊宏, 朱俊强
2010, 25(12): 2728-2747.
摘要 PDF(2647KB) icon1398 icon416
摘要:
首次将三维小波以及二维小波奇异性分析的思想引进三维以及二维复杂流场的数值计算,发展了一种高效率、高精度、高分辨率的方法.该算法的核心是获取流场中物理量在不同空间点的Hlder指数α,而该指数α的获取又依赖于小波变换以及高维(即二维或三维)小波分析技术.在三维与二维欧氏空间中,为进行小波多分辨分析,需要在尺度空间与小波空间分别引进尺度基与小波基.对二维问题,尺度基与小波基的基底要由1个尺度函数与3个小波函数组成,而三维时要由1个尺度函数和7个小波函数组成.借助于小波奇异分析所找到的流场中奇异点区域与光滑区域,便可分别选用高分辨率、高精度的WENO(weighted essential non-oscillatory)格式与高精度中心差分格式进行流场的离散求解.一系列二维(即,①二维前台阶问题的Euler流;②二维双马赫反射的Euler流; ③著名的二维Riemann问题;④跨声速RAE2822翼型二维绕流; ⑤跨声速VKI-LS 59二维涡轮叶栅绕流)与三维(即,⑥跨声速轴流压气机转子NASA(National Aeronautics and Space Administration) Rotor 37三维黏性绕流;⑦跨声速风扇转子NASA Rotor 67三维黏性绕流)算例表明:该方法的计算效率比传统的WENO格式有较大的提高,大部分典型算例能够提高3~5倍,而且可以获取复杂流场中高分辨率的激波结构以及涡系分布,可以得到与有关实验数据较为吻合的数值结果.
矩形截面高超声速进气道高焓风洞实验
袁化成, 郭荣伟
2010, 25(12): 2748-2755.
摘要 PDF(1076KB) icon1550 icon479
摘要:
对设计工作马赫数为4.5~6.5的矩形截面高超声速进气道进行了马赫数为6,5及4的高焓风洞实验研究,获得了进气道在不同反压下的性能参数及沿程静压分布.实验结果显示,设计状态下(Ma=6,α=0°),进气道的流量系数和总压恢复系数分别为0.97和0.41,增压比约为来流静压的35倍,隔离段出口马赫数不大于2.6;最大承受反压不小于来流静压的114.5倍.研究还发现,反压升高引起的激波串可停留在内压段,且不影响进气道的流量捕获;当Ma=5,α=0°时,进气道的流量系数不低于0.77,总压恢复系数在0.49~0.67之间.设计工作马赫数及攻角范围内,进气道内未发现明显的流动分离,均可正常起动工作.
带输出轴的直升机进气道设计改进
汪明生, 黄国平, 傅鑫, 尤延铖
2010, 25(12): 2756-2762.
摘要 PDF(1293KB) icon1660 icon401
摘要:
利用自主软件NAPA对典型带输出轴的直升机进气道进行了三维流场数值分析,通过修正进气道输出轴迎风侧的管道曲率半径、在背风侧增添优化的尾锥,改进设计了原型进气道并进行了模拟.结果表明,原型进气道由于输出轴堵塞了流道,使输出轴背风侧存在很大的分离,同时迎风侧存在转弯损失,导致出口面流场畸变严重.改型进气道减小了输出轴背风侧的分离和迎风侧的转弯损失,使其既保持了高总压恢复系数,且畸变指数最大降低了74％.
着陆襟翼打开状态下抓斗式反推装置 三维流动数值模拟
刘春阳, 王占学, 王家启, 尹方, 孔德英
2010, 25(12): 2763-2769.
摘要 PDF(1564KB) icon1893 icon405
摘要:
基于求解三维Reynolds-averaged Navier-Stokes方程,数值模拟了着陆襟翼打开状态下抓斗式反推装置工作时流场分布特性.网格采用非结构化四面体与六面体混合分区生成技术,湍流模型选用Spalart-Allmaras模型.结果表明,在计算滑跑速度范围内,反向排气流不会被进气道重新吸入;高温反向排气流会冲击到飞机吊挂及部分机翼,需引起注意;随着滑跑速度的降低,反向排气流侧向影响范围急剧增大,若机翼后掠角较大,则反向排气流容易被相邻发动机再次吸入,引起进气畸变;当滑跑速度降低到34m/s时,反向流开始吹向地面,可能会卷起地面颗粒物并且被进气道吸入;随着滑跑速度的降低,反推力减小.
燃烧、传热、传质
基于PSP实验技术的双射流气膜冷却 特性研究
韩昌, 李佳, 李雪英, 任静, 蒋洪德
2010, 25(12): 2770-2778.
摘要 PDF(1240KB) icon1581 icon416
摘要:
基于压力敏感漆(PSP)实验技术研究了具有双射流、圆孔和扇形孔的气膜冷却系统在主流湍流度为6%,吹风比分别为0.5,0.8,1.0,1.2和1.5时的冷却特性.圆孔平均气膜冷却效率在吹风比为0.8到1.5范围内逐渐降低;而双射流和扇形孔在整个实验范围内随吹风比的增大而升高,这表明双射流很好地抑制了射流与壁面的吹离.在同等条件下,双射流气膜冷却效率优于圆孔,而低于扇形孔.实验条件下的数值模拟结果清楚地表明了圆孔、双射流和扇形孔分别形成的肾形涡系、反肾形涡系和弱肾形涡系是形成各自气膜冷却特性的主要因素.
涡轮叶片内部冷却通道传热和压力 分布特性的实验
陈伟, 阚瑞, 任静, 蒋洪德
2010, 25(12): 2779-2786.
摘要 PDF(1144KB) icon1693 icon369
摘要:
针对带45°肋片圆形弯头U型通道进行了传热和压力分布特性的实验研究.实验中进口雷诺数变化范围在30000~55000之间.研究表明,肋片引起的横向二次流在弯头前区域是强化传热的主要因素.不同雷诺数下传热分布和压力分布的趋势完全一致,但弯头区后半段上传热分布有所差异.通道中的最大压降出现在弯头区,进口雷诺数越大,弯头损失系数和总损失系数都有所减小.流体在圆形弯头中,加速效果没有矩形弯头强烈,弯头区和弯头后的传热较矩形弯头都有较大幅度地减小.
瓣高宽比对波瓣强迫混合排气系统性能影响
谢翌, 刘友宏
2010, 25(12): 2787-2794.
摘要 PDF(1083KB) icon1612 icon403
摘要:
以某涡扇发动机波瓣强迫混合排气系统为研究对象,在波瓣数以及波瓣长度不变的情况下,分别固定波瓣宽度改变波瓣高度和固定波瓣高度改变波瓣宽度,得到了一系列不同波瓣高宽比的几何模型,并对其进行了三维数值模拟研究,获得了不同高宽比对波瓣混合器流场、热混合效率和总压恢复系数的影响规律.结果表明:在混合器出口处,当高宽比在2~5范围内变化时,热混合效率在波瓣宽度和高度分别不变时,随高宽比的增加,分别呈现出不断增大以及不断减小的趋势;当宽度不变时,总压恢复系数随高宽比的增大而减小,当高度不变时,总压恢复系数随高宽比的增大而增大.
受限浸没射流阵列冲击针肋热沉的传热特性
杨瑞波, 夏国栋, 柴磊
2010, 25(12): 2795-2801.
摘要 PDF(1011KB) icon1468 icon386
摘要:
以去离子水为工质,对受限浸没射流阵列冲击矩形针肋热沉的传热特性进行了实验研究.讨论了热沉几何参数和射流雷诺数对传热特性的影响规律.结果表明:针肋高度直接影响换热能力,但并非越高越好;热沉传热特性受针肋宽度与肋间距影响较大,Nu在0.625≤W/G≤1.000内呈塔型分布;Nu在2.5≤H/d≤10.0之间不断下降;S/d在3.00~4.50之间,Nu随S/d的增大单调递增,但Re增大到4000后,换热性能与S/d基本无关;S/d在4.50~7.00之间,Nu随S/d的增大单调递减;热沉的热阻随泵功的增大而降低,但变化渐趋平缓.
结构、强度、振动
镍基单晶合金蠕变研究: 叶片蠕变的有限元分析
杨晓光, 白露, 石多奇, 于慧臣
2010, 25(12): 2802-2806.
摘要 PDF(866KB) icon1537 icon413
摘要:
该文为镍基单晶合金高温蠕变建模研究工作的第三部分,利用前面研究已建立的蠕变材料模型及编写的ABAQUS软件UMAT子程序,选取了模型涡轮一级叶片叶身段,利用单晶DD3蠕变数据和实际叶片温度场,通过设定不同的晶体去向,分析了叶片主晶体去向偏差对叶片蠕变的影响,计算同时也给出了次向晶向偏差对分析的影响.整个分析,揭示了不同取向对叶片蠕变的影响:不同于材料的蠕变,叶片在通常控制的10°取向偏差内,蠕变分散也较大.
Weibull分布定时无失效数据可靠性分析方法
傅惠民, 张勇波
2010, 25(12): 2807-2810.
摘要 PDF(730KB) icon1673 icon397
摘要:
定时无失效数据的处理是当前工程中亟需解决的问题.为此,提出一种Weibull分布定时无失效数据可靠性分析方法,在形状参数下限已知的情况下,给出了可靠度和使用寿命的单侧置信下限,从而能够根据定时无失效数据对产品进行高置信水平的可靠性评定.大量Monte Carlo模拟验证结果表明,该方法既可以充分利用定时无失效数据,又能对Weibull分布无失效数据进行累加,所以增大了信息量,提高了预测精度.文中给出某型号高压容器定时无失效寿命试验数据的计算实例.
基于多性能参数的民用航空发动机 实时性能可靠性预测
任淑红, 左洪福
2010, 25(12): 2811-2815.
摘要 PDF(805KB) icon1429 icon474
摘要:
以民用航空发动机为研究对象,运用性能退化可靠性理论,对发动机的性能可靠性进行了研究.通过分析发动机性能退化过程,利用状态空间方法建立了时变性能退化模型,并通过卡尔曼滤波对性能趋势进行预测;然后考虑各性能参数之间的相关性,运用随机过程理论建立了基于多性能参数的实时性能可靠性预测模型,从而对发动机的退化时间进行实时预测;最后通过实例证明该方法是有效的,并且易于工程实现,同时,也为航空公司进行发动机机队科学管理提供了基础.
自动控制
基于AMESim的涡扇发动机控制系统 综合仿真
任新宇, 王建礼, 赵小龙
2010, 25(12): 2816-2820.
摘要 PDF(872KB) icon1714 icon383
摘要:
以AMESim为平台,采用模块化的设计方法,分别建立航空发动机、传感器、燃油系统、电子控制器和执行机构数学模型.将模块封装打包建立涡扇发动机控制系统模型库,并将之组成为完整的发动机及调节器系统综合仿真平台.以主燃油控制系统为例,介绍了各仿真模块的建立过程,仿真结果表明,系统模型能反映各子系统之间的复杂集成和耦合关系,利用系统模型仿真进行组合优化能够有效提高系统性能.
基于RBF网络的航空发动机 terminal滑模控制
苗卓广, 谢寿生, 王海涛, 翟旭升, 张子阳, 孙晓东
2010, 25(12): 2821-2826.
摘要 PDF(969KB) icon1582 icon374
摘要:
针对现代航空发动机是一个具有不确定性的强非线性系统,结合滑模控制和神经网络控制的优点,提出了一种基于径向基函数(radical basis function,简称RBF)网络的航空发动机terminal滑模控制方法.分析了传统指数趋近律的不足,提出了一种改进的指数趋近律来削弱抖振.该控制器采用terminal滑模面,并且利用径向基函数神经网络在线实时补偿未知干扰和不确定项的影响.仿真结果表明,所设计的控制器取得了令人满意的控制效果,能有效地抑制干扰和参数不确定性的影响,削弱了抖振.
火箭发动机
富氢/富氧燃气同轴剪切气-气喷嘴性能仿真分析
李茂, 金平, 蔡国飙
2010, 25(12): 2827-2833.
摘要 PDF(783KB) icon1402 icon360
摘要:
采用正交试验设计方法对富氢/富氧燃气同轴剪切气-气喷嘴设计参数氧压降比、燃氧速度比、氧喷嘴出口壁厚进行组合,数值模拟单喷嘴燃烧室燃烧流场,研究喷嘴设计参数及参数之间的交互作用对燃烧性能和燃烧室热载性能的影响,评价指标为燃烧长度、燃烧室壁面平均燃气温度和喷注面板平均燃气温度.仿真结果表明,燃氧速度比对燃烧与热载有显著影响,氧压降比与氢氧燃氧速度比的交互作用影响明显,分析结果对气-气喷嘴试验设计有重要指导意义.
气壁镀镍和冷却剂入口对再生冷却的影响
康玉东, 孙冰
2010, 25(12): 2834-2838.
摘要 PDF(821KB) icon1722 icon382
摘要:
考虑冷却剂入口模型及气壁镀镍,对液体火箭发动机推力室再生冷却通道和冷却剂进行三维流动与传热耦合计算.采用经验公式计算燃气侧对流及辐射换热,冷却剂为甲烷,考虑其物性随温度和压力的变化.所得结果表明:冷却剂入口二次流及突扩流场的叠加,使局部压力损失变大,影响进口下游较大区域流动传热状况;气壁镀镍能提高气壁的耐高温性,降低气壁锆铜的温度.
动力传输
弧齿锥齿轮激励研齿的动态研磨分析与试验
杨建军, 邓效忠, 魏冰阳, 方宗德
2010, 25(12): 2839-2845.
摘要 PDF(965KB) icon1522 icon362
摘要:
建立了包含齿侧间隙、传动误差和时变啮合刚度等因素的10自由度弧齿锥齿轮研齿系统的动力学模型,针对普通研齿的不足之处,提出了激励研齿加工方法,对普通研齿和激励研齿动态位移响应和动态研磨力进行了对比分析,结果表明激励研齿方法使工作齿面和非工作齿面同时得到研磨,增加了研齿时的动态研磨力.超声激励下的弧齿锥齿轮研齿试验表明激励研齿方法能提高研齿的效率,提高齿形精度,改善齿面质量和轮齿啮合特性.
混合弹流润滑下弧齿锥齿轮齿面闪温研究
谷建功, 方宗德, 扶碧波, 祝小元
2010, 25(12): 2846-2850.
摘要 PDF(895KB) icon1790 icon386
摘要:
在布洛克闪温公式的基础上,计算了混合弹流润滑下的齿面平均摩擦因数,提高了公式的计算精度.结合弧齿锥齿轮几何与承载接触分析,通过计算沿齿面啮合点的曲率半径和切向速度,提出了实际润滑状态下沿接触路径的闪温公式.经算例分析表明,弧齿锥齿轮闪温的最大值位于啮入轨迹的中部,随着接触路径的倾斜度和长度的增加,实际重合度增大,啮合点处的载荷减小,闪温的最大值明显减小,其胶合承载能力显著提高.

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