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2022年  第37卷  第1期

燃烧、传热、传质
主动冷却薄壁结构的通道布局与形状优化
孙士平, 徐德辉, 刘道煌, 胡政
2022, 37(1): 1-10. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210005
摘要:
针对基于传统分析方法的超然冲压发动机燃烧室主动冷却设计存在通用性差、周期长问题,采取子结构法建立主动冷却通道体胞的流固热多场耦合有限元模型,在与实验对比验证有限元模型有效性基础上,分析了结构质量和质量流率不变时通道数目对换热性能的影响;采用超椭圆方程描述通道截面形状,结合Kriging响应面和多目标遗传算法,开展了最小化平均壁温、压力损失和最大应力的通道形状优化。结果表明:存在一个合适的通道数目来协调各性能指标;通道位置不影响压力损失,但通道越靠近气壁面,换热性能更好;接近矩形的通道形状综合性能表现更好。与初始方案相比,从Pareto解集中选取的一优化方案,其平均壁温最高温度分别下降4.9%和7.2%,而压力损失降低33.6 kPa,降幅达33.4%,综合性能改进明显。
超燃冲压发动机U型冷却通道的流道方案
胡家瑛, 王振国, 潘余, 李佩波
2022, 37(1): 11-25. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210242
摘要:
对四流道U型流道平板的不同流道方案进行三维仿真模拟。主要针对同向入口U型流道平板和反向入口U型流道平板这两种构型进行研究,并在每一种构型中采用不同的冷却剂出入口方案,并对不同方案的冷却效果进行研究和对比。研究表明:两种构型的出入口相间排布的流道方案更适合于有一定规律的非均匀热流;两种构型的入口流道位于平板两侧的流道方案,更适用于相对较均匀的热流环境;U型通道中相邻通道间冷却剂的温差较大,伴随强烈的肋间传热,并且较低温的冷却剂通道能够从燃烧室壁面吸收更多的热流,能明显减小相邻高温通道的冷却负担。
点阵单元类型和排布角度对传热特性的影响
梁栋, 陈伟, 胡勇, 张健鹏, 邱民京
2022, 37(1): 26-35. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210067
摘要:
基于瞬态液晶测试技术和数值仿真,在相同孔隙率条件下,研究了桁架型点阵结构的单元类型和排布角度对矩形通道壁面对流传热特性的影响。结果表明:点阵单元类型对壁面传热性能有决定性的影响,其中交叉排布的体心立方(body centered cubic-0,BCC-0)和Kagome-0点阵归因于出色的传热强化效果,雷诺数在5 700~17 100的范围内,其综合传热效率分别比柱肋阵列高出了9%~21%和4%~12%;而共线排布的面心立方点阵(face centered cubic,FCC)则都表现出较低的传热性能。在单元类型相同的条件下,选择合适的排布角度有利于进一步提高传热性能,其中Kagome-90和BCC-0分别比Kagome-0和BCC-45点阵的传热效率高3%~10%和5%~15%。
RP-3航空煤油低温氧化特性的试验与数值计算
刘靖, 胡二江, 黄佐华, 曾文
2022, 37(1): 36-45. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210074
摘要:
在射流搅拌反应器(JSR)中对压力为0.1 MPa、温度范围为550~1 100 K、当量比分别为0.5与1.0、滞留时间为2 s的工况条件下RP-3航空煤油及由正癸烷(摩尔分数为0.14)/正十二烷(0.1)/异十六烷(0.3)/甲基环己烷(0.36)/甲苯(0.1)组成的模型燃料的低温氧化过程进行了试验测试。同时,通过耦合基于反应类的全局敏感性分析方法、解耦法和遗传算法,构建了该模型燃料的简化反应动力学机理(181个组分和872个反应),并对模型燃料的低温氧化特性进行了数值计算。结果表明:模型燃料低温氧化过程中主要组分摩尔分数随温度的变化趋势与RP-3航空煤油吻合较好;构建的RP-3航空煤油模型燃料的简化反应机理可以较好地预测该模型燃料低温氧化过程中主要组分摩尔分数随温度变化的整体趋势,但在部分组分摩尔分数峰值及负温度系数(NTC)效应预测上尚存在偏差。
过载环境下水平管内水的流动沸腾特性
李根, 方贤德, 罗组分, 覃业棋
2022, 37(1): 46-54. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210128
摘要:
利用地面离心旋转台实验研究了不同过载环境下水在1.8 mm内径水平管内流动沸腾的摩擦压降特性。实验工况为过载加速度1.00g~3.16g,质量流速为230、330 kg/(m2?s),热流密度为102、141 kW/m2,干度为0.07~0.58。结果表明:不同过载环境、干度、热流密度和质量流速对水的摩擦压降均有影响。摩擦压降随着过载的增加而略微减小,随着干度的增加而明显增大。另外热流密度和质量流速的增大均会增加摩擦压降,并且受到质量流速的影响更为显著。评价了8个常重力流动沸腾摩擦压降预测模型对实验数据的适用性,其中最小的平均绝对误差和平均相对误差分别为7.8%和6.9%。由于流动沸腾流型受到过载的影响较大,因此利用Fluent软件模拟研究了常重力和过载环境下的流型图,模拟结果显示过载对流动沸腾气液分离影响明显。
高温高压下平板预膜喷嘴初次雾化试验
张举星, 邸东, 张萍, 张腾, 颜应文, 李井华
2022, 37(1): 55-66. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210047
摘要:
为了深入探究预膜喷嘴燃油初次雾化机理,试验研究了高温高压条件下不同工况参数对平板预膜喷嘴初次雾化特性的影响规律。采用高速摄影可视化技术和马尔文粒度仪获取了预膜平板液膜厚度、液膜波动形态以及索泰尔平均直径(SMD)等雾化特性。利用图像后处理技术提取液膜厚度,试验结果表明:液膜厚度随进气压力、进气温度和进口韦伯数的增加而减小,随燃油流量增加而增加。采用本征正交分解(POD)对液膜波动主要模态时间系数进行快速傅里叶变换,结果表明在相同工况下,液膜波动频率表现出和液膜厚度变化相反的结果。当进气压力改变时,进口韦伯数保持不变,试验结果表明进气压力对最终液滴平均尺寸影响不明显,证实了进口韦伯数是更适合的表征燃油雾化效果的参数,在工况范围内液滴尺寸随着进口韦伯数的增加而减小。
雾化气流脉动下乙醇喷雾旋流火焰特性
陈湘男, 谢定江, 马康, 唐勇, 李水清, 王宁飞, 石保禄
2022, 37(1): 67-75. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210070
摘要:
针对雾化气流脉动条件下乙醇喷雾旋流非稳态燃烧问题,开展了不同雾化流量下乙醇喷雾旋流火焰对雾化气流脉动响应特性的实验研究,揭示了不同脉动频率和脉宽时长下火焰长度和抬升高度的响应特性,获得了乙醇喷雾燃烧在雾化气流脉动条件下的火焰结构、温度分布等动态规律。结果表明:随着雾化流量增加,旋流火焰由附着演化为抬升;此外,雾化气流脉动影响乙醇的雾化过程,从而使附着火焰的火焰长度和抬升火焰的抬升高度发生同频振荡;在相同的实际雾化流量下,雾化气流脉动使得附着火焰平均火焰长度和抬升火焰平均抬升高度增加;同时脉动直接改变了液滴速度、尺寸和空间分布,促进了乙醇的氧化燃烧,使得整体释热率增加,而不同频率的脉动,对喷雾火焰的释热几乎无影响。
结构、强度、振动
盘鼓螺栓连接结构接触刚度建模与应用检验
赵广, 王永泉, 赵向阳, 李盛翔, 滕光蓉
2022, 37(1): 76-86. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210065
摘要:
针对航空发动机中盘鼓转子螺栓连接结构连接刚度精确建模与工程化应用问题,通过扇形盘鼓螺栓结构固有特性实验获得前6阶固有频率随螺栓预紧力变化关系,考虑螺栓接触面应力分布,基于双薄层单元法获得了扇形盘鼓螺栓连接结构各阶固有频率随薄层单元弹性模量变化规律。通过构建实验与仿真结果误差函数实现接触刚度的识别,并将接触刚度模型推广应用于整圈盘鼓螺栓连接结构中,检验了模型的有效性和通用性。结果表明:基于单螺栓连接的扇形盘鼓结构固有频率测试与仿真建立的接触刚度模型,接触刚度平均识别误差为2.40%,将其应用于整圈盘鼓转子螺栓连接结构中时,仿真与实验平均误差为4.10%,检验了提出的接触刚度模型的普适性。
声电换能超材料设计与性能
吕海峰, 余瀚海, 叶俊杰, 马智宇, 张景惠, 李静
2022, 37(1): 87-94. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210064
摘要:
设计了一种将Helmholtz共振效应与压电效应结合的声电换能超材料结构及电路系统,通过传递矩阵法对超材料的能带结构进行了分析。以压电片作为Helmholtz共振器基底通过阵列形成超材料结构。当入射噪声频率与共振频率一致时,声电转换效率最高。利用COMSOL分别对超材料单元及系统进行仿真,验证了超材料单元对于噪声的抑制作用;研究了超材料单元串并联方式对声电换能效率的影响规律;采用整流桥设计了交直流转换电路,采用超级电容设计了储能电路。测试结果表明:所设计的声电换能超材料系统的最优直流负载为250 kΩ。当声波以共振频率入射驱动时,系统的声电功率最大为1 523 μW,实现了声电的能量转换、调理与储能。
TiB2/7050颗粒增强铝基复合材料热变形行为与热压工艺优化
周超羡, 乙晓伟, 陈晨, 陈巍, 冉刚, 王泓
2022, 37(1): 95-102. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210071
摘要:
分析TiB2/7050颗粒增强铝基复合材料的热变形行为及工艺参数的影响规律,对其热变形后的组织设计和获得理想性能参数至关重要。基于此,针对TiB2/7050颗粒增强铝基复合材料开展了相关研究。用Gleeble-3500热模拟机进行热压缩试验,研究了TiB2/7050颗粒增强铝基复合材料在变形温度300~450 ℃、应变速率0.001~1 s-1时的热变形行为,建立了材料的双曲正弦本构方程;根据动态材料模型计算得出热加工图,优选了材料的热加工工艺窗口;对原始挤压成型坯料和优化工艺的热压成型坯料进行了力学性能测试和微观组织形貌分析。结果表明:两种成型工艺相比,热压件强度指标略有提高,但塑性大幅提高,其长横向断后延伸率提高400%;热压工艺件晶粒更加细小、且无明显择优取向;拉伸断裂机制均为准解理断裂,热压件断口韧窝更深、撕裂棱更粗大,表明塑性撕裂持续时间更长。
非线性硬涂层整体叶盘振动参数的多目标优化设计
高峰, 刘秀婷, 俞斌
2022, 37(1): 103-113. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20200566
摘要:
为了优化应变依赖性硬涂层对整体叶盘的阻尼减振,对具有应变依赖性特征的硬涂层整体叶盘(非线性涂层整体叶盘)的涂层参数进行多目标优化设计。利用基于复合Mindlin板理论的能量有限元法和基于Newton-Raphson法的迭代计算技术分析了非线性涂层整体叶盘的振动特性;利用NSGA-Ⅲ算法求解了非线性涂层整体叶盘的涂层参数多目标优化问题,其优化结果表示为帕累托前沿解集;对叶片涂敷NiCoCrAlY+YSZ硬涂层的整体叶盘模拟件进行非线性振动特性分析及涂层参数的双目标优化和三目标优化。结果表明:硬涂层参数对整体叶盘振动特性的影响是互相约束的,位于帕累托前沿解集“拐点”的涂层参数能够兼顾不同硬涂层参数对整体叶盘振动特性的影响,也可根据工程实际需求从帕累托前沿解集中选择合适的涂层参数作为设计参考值。
周向发散式袋型阻尼密封泄漏特性与动力特性数值研究
白禄, 孙丹, 赵欢, 肖忠会, 孟继纲, 胡永
2022, 37(1): 114-123. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210076
摘要:
提出一种周向发散式袋型阻尼密封结构,建立了袋型阻尼密封多频椭圆涡动求解模型,在实验验证求解模型准确性的基础上,研究了进出口压比、偏心率对袋型阻尼密封泄漏特性与动力特性的影响,分析了两种袋型阻尼密封的转子稳定性。结果表明:两种袋型阻尼密封的泄漏量平均相差0.89%,两者泄漏特性相当。传统袋型阻尼密封在转子偏心状态时各腔室存在较大周向压力差,周向发散式袋型阻尼密封各腔室压力分布基本均匀;两者切向气流力与转子涡动方向相反,均抑制转子的涡动,且周向发散式袋型阻尼密封的切向气流力是传统袋型阻尼密封的2.29倍;周向发散式袋型阻尼密封的平均有效阻尼是传统袋型阻尼密封的1.29倍,周向发散式袋型阻尼密封可提高转子系统的稳定性。
气动热力学与总体设计
高速稀薄流域防热减阻概念构型气动性能
张帅
2022, 37(1): 124-141. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20200541
摘要:
为探究高速稀薄流流域凹腔槽道的气动特性,采用直接模拟蒙特卡罗(DSMC)方法,建立了凹腔深宽比为1,槽道高度分别为0、10、20、30、40 mm以及基准高度为20 mm的唇口钝化半径为2~20 mm的凹腔槽道构型,获得了不同算例的气动热系数和气动力系数的变化情况,分析了不同槽道高度以及不同唇口钝化半径的凹腔槽道构型对气动热与气动力性能的影响。数值结果表明:稀薄流流域中凹腔槽道构型能够达到预期的防热减阻效果,较优构型(槽道高度为20 mm)的防热率与减阻率分别达到6.99%和4.44%;槽道高度越高,减阻效果越好,但防热效率降低甚至出现防热反作用;凹腔腔体内部气体由稀薄流转化为连续流,凹腔内气体压力不断振荡;唇口钝化处理可以在保证阻力系数增加不大的情况下显著降低峰值传热。
短舱外侧导流片对民用运输机低速特性影响
王祁旻, 郑隆乾, 张美红
2022, 37(1): 142-151. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210333
摘要:
以提升民用运输机起降构型大迎角阶段的气动性能为目的,通过开展基于求解雷诺平均Navier-Stockes(RANS)方程的数值模拟,研究了翼吊短舱布局飞机的失速附近的流场特征,分析了短舱外侧导流片的作用机理以及导流片的安装位置和安装角对流动控制效果的影响。短舱外侧导流片能够在大迎角工况下产生诱导涡,抑制外侧前缘缝翼放下后,在吊挂/短舱后主翼上翼面后缘出现的分离,能够达到提升全机最大升力系数的效果。短舱外侧导流片的安装位置会影响诱导涡的涡强以及涡在主翼上翼面的展向位置和高度,安装角主要影响诱导涡的涡强。在所研究的设计区间内,短舱外侧导流片能够提升全机最大升力系数约2.1%。
变循环发动机地面起动建模及控制规律设计方法
郝旺, 王占学, 张晓博, 周莉, 王靖凯
2022, 37(1): 152-164. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210132
摘要:
针对旋转部件等熵效率不连续的问题,提出使用换算扭矩代替等熵效率的方法,给出了旋转部件低转速特性拓展方法并获取了旋转部件的全转速特性。提出了可考虑点火及燃烧稳定性的燃烧室稳定性模型,最终建立了变循环发动机部件级整机起动模型。考虑了变循环发动机的8个可调参数,采用差分进化算法对变循环发动机在双外涵及单外涵模态下的起动过程进行了优化。结果表明:变循环发动机在双外涵及单外涵模态下的起动时间分别为17.2 s与12.8 s;双外涵模态下,需要调节燃油流量、喷管喉部面积与后可变面积涵道引射器外涵面积;单外涵模态下,需要调节燃油流量、喷管喉部面积与低压涡轮进口导叶面积;迎风来流马赫数为0.04时,变循环发动机在双外涵与单外涵模态时的起动时间比静止状态均减少0.2 s。
前/后置螺旋桨对涡桨发动机性能影响的整机试验
韦宇卿, 郭峰, 朱剑锋, 李伟, 黄兴
2022, 37(1): 165-172. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210562
摘要:
基于一款15 kW涡桨发动机,构建了带偏置进气道的前/后置螺旋桨整机试验台,探究了前/后置螺旋桨流动特性对涡桨发动机性能的影响规律。研究结果表明:随着燃气涡轮转速的增加,螺旋桨滑流增压效果增强、进气道内气流损失增加,其中相对换算转速64%及88%状态滑流增压效果分别为0.35%及0.7%,综合表现为前置状态下螺旋桨/进气道的综合总压恢复系数基本维持在100%;受制于前置螺旋桨滑流增压效果与外置传输轴功率损失的综合影响,在相同燃气涡轮转速下,前/后置状态的发动机拉力基本一致,但后置状态的螺旋桨转速增加2.8%~4%、出口排气温度增加11~22 ℃;相比于后置状态正上方压力相对偏高的图谱分布,前置状态下气流在进气道内沿螺旋桨旋转方向往右下角方向进行堆积,进气道出口呈现右下角压力高、左上角压力低的图谱分布,总压畸变指数有所降低。
叶轮机械
小流量离心压气机温度畸变器设计和试验
张骏, 朱玲, 石建成, 王国文, 银越千
2022, 37(1): 173-180. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210068
摘要:
利用电加热管设计了小流量压气机温度畸变发生器,针对某小流量压气机的温度畸变要求,对温度畸变发生器进行畸变指数标定试验,得到满足温度畸变指数要求的畸变发生器运行参数、总压恢复系数和总压畸变指数;将温度畸变发生器安装至压气机试验件,进行压气机性能试验,得到压气机在温度畸变条件下的气动性能。结果表明:满足温度畸变指数要求的电加热管需运行4~5根,单根功率为3 kW,进口物理流量需不大于3 kg/s;在该畸变发生器运行参数下,压气机峰值效率最大下降了1.3%,喘振边界无明显影响。
脉冲射流控制现象的自激-外激耦合模型
陆惟煜, 黄国平, 杨雨轩
2022, 37(1): 181-190. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210069
摘要:
为了阐释脉冲射流控制中出现的频率依赖性、位置依赖性、条件同步性及强度依赖性这4种现象,在弱非线性稳定性理论的基础上,建立了一种简化的自激-外激耦合模型,用于近似描述脉冲射流流动控制现象。该模型由偏微分方程组构成,特定情形下可简化为常微分方程进行求解,通过将求解结果与脉冲射流控制的数值模拟及实验数据进行对比,研究发现:该自激-外激耦合模型能定性或半定量反映实际脉冲射流控制中出现的4种现象。结合模型的分析表明:脉冲射流主要利用流动的非线性不稳定性机制,通过使流场与非定常激励产生同步运动,促进主流和分离流间的动量传递,从而实现自激-外激耦合流动控制作用,并表现出脉冲射流控制的4种典型现象。
对转压气机中自循环机匣处理扩稳机理的研究
郭彦超, 高丽敏, 杨冠华, 王磊
2022, 37(1): 191-203. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210009
摘要:
为拓宽自循环机匣处理的适用范围,以对转压气机为研究对象,采用数值方法研究了自循环机匣处理的扩稳机理和轴向喷气位置对其扩稳能力的影响,详细分析了自循环机匣处理前后对转压气机的总体特性和转子叶尖流场的变化。结果表明:对最先失速的转子配置自循环机匣处理可以获得可观的裕度改善,但轴向喷气位置对扩稳效果和压气机的气动性能均有显著影响;轴向喷气位置不宜距离叶片前缘太近,喷气位置距离叶片前缘40%轴向弦长时失速裕度提高了7.73%且峰值效率损失最小。自循环机匣处理通过降低叶尖负荷和减弱叶顶二次泄漏流强度以及抑制叶顶泄漏流与主流相互掺混来延迟失速发生。通过自循环机匣处理可以改变对转压气机的最先失速级,但不改变失速起始类型。
火箭发动机
基于Armijo准则和BFGS算法的运载火箭控制重分配
于海森, 谭述君, 吴志刚
2022, 37(1): 204-213. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210059
摘要:
以某型运载火箭为研究对象,研究了伺服机构故障下的重构控制问题。将该问题转化为有约束二次规划问题,采用一种Armijo准则和BFGS算法相结合的控制分配方法来求解。Armijo准则可以保证优化算法的收敛性,而BFGS算法则避免了迭代过程对Hesse阵的求逆运算,且具有收敛快的优点。将该重构方法与不动点迭代算法进行了对比,该算法经过8次迭代收敛,目标函数值和误差值分别收敛到102量级左右和10-5量级;而不动点迭代算法经过30次迭代尚未完全收敛,目标函数值和误差分别收敛到103量级左右和10-2量级。结果表明该重构方法比不动点迭代算法收敛快且收敛精度高。以单台发动机发生卡死故障为例对该方法进行了仿真验证,得到了与无故障情况下相同的控制效果,验证了该重构方法的有效性和正确性。
基于响应面法的火箭发动机喷管型面优化设计
王英鹏, 徐义华, 孙海俊, 冯喜平
2022, 37(1): 214-224. doi: 10.13224/j.cnki.jasp.20210004
摘要:
针对已知某型火箭发动机的燃气参数,对比了维托辛斯基、双三次、五次曲线及基于维托辛斯基的移轴法设计的收缩段型面喷管性能,其中移轴法得到喷管性能较优;采用单一变量法计算分析了喷管型面参数(初始扩张段圆弧半径、扩张段出口半角、扩张段长径比、扩张段扩张角以及收缩段长径比)对喷管性能影响规律,喷管出口推力随着初始扩张段圆弧半径以及出口半角的增大而减小;随着收缩段长径比、扩张段长径比以及扩张角的增大,喷管出口推力先增大后减小。由于各型面参数的影响关系存在着耦合现象,为了综合考虑各参数对喷管性能影响,采用响应面法(RSM)对喷管型面各参数进行优化设计,结果表明:RSM所得到的型面喷管在推力增加的基础上,长度减小了3.40%。