飞行器姿态控制用拉瓦尔喷管的流场分析

在一种利用喷气反作用力的飞行器姿态控制方法的基础上,建立拉瓦尔喷管的热力学和动力学模型,取得了拉瓦尔喷管内部速度场、压力场及温度场的分布规律。分析结果表明:喉部及初始扩张段气流的速度变化快,气体对壁面的冲刷严重,该部位可采用抗冲刷防护材料和工艺处理措施;在收缩段的喷管壁面处的压力高,喉部及初始扩张段壁面的压力变化剧烈,可采用强度较高的防护材料;气流经过拉瓦尔喷管过程中,温度不断降低,但壁面温度变化幅度不大,在喷管喉部处的温度快速下降且出现不均匀变化现象,可见喷管收敛段及喉部着重注意耐烧蚀防护处理。本文的理论结果和实验结果相符,研究结果可作为拉瓦尔喷管结构和工艺设计的理论依据。     

附件机匣热平衡温度研究

根据附件机匣方案设计及多方案筛选过程中对热平衡温度的计算需求,提出工作状态下附件机匣生热及散热过程的热系统模型,及附件机匣热平衡温度的迭代计算方法,根据回油口润滑油温度的变化分析影响附件机匣热平衡温度的主要因素。分析结果表明,附件机匣的热平衡温度随滑油供油量的增加而降低,随滑油供油温度的升高而升高,随二股气流温度的升高而升高,随二股气流流速的升高而降低。从而,对附件机匣热平衡温度的工作机理、影响因素进行系统性的分析。该研究工作对提升附加机匣的设计水平、降低相关故障率具有重要的指导意义。     

通孔干式铣削内冷流场的数值模拟研究

针对通孔干式铣削的冷却和排屑问题,提出了采用三爪卡盘夹紧工件、压力气体从孔底注入加工区进行冷却和排屑的创新工艺方案。采用整体立式铣刀的三维精确模型,辅助建立了铣削加工区的三维湍流模型;基于Fluent软件的标准k～ε湍流模型和多重旋转坐标系MRF方法,对气流从铣刀中心孔和从孔底5种角度射出时,铣削加工区的压力场和速度场进行了对比分析。研究结果表明:气流从偏离孔底径向15°背离容屑槽射出时,铣刀附近、容屑槽螺旋壁面、周刃螺旋壁面的气体压力分布和容屑槽、周刃螺旋壁面的气体流速情况有效地改善了加工区的冷却和排屑条件,研究成果为优化通孔干铣削加工区气流射出角度和流场提供了理论依据。     

行星减速器的温度升高试验

为探究某型号索道用行星减速器温度升高的可能影响因素，文中对减速器的热平衡进行了分析，以监测点和润滑油量为主要研究对象，进行了2种减速器温度升高试验。试验结果表明：轴承摩擦损失、齿轮摩擦损失是减速器温度升高的主要原因，适宜的润滑油量可以有效地减小润滑油搅拌损失进而减小温度的升高，散热条件如环境温度、散热面积等对温度升高有一定的影响。在此基础上，从减速器的热量散发和润滑油两方面提出了一些改进建议。     

航空发动机压气机叶片表面颗粒沉积数值研究

叶片表面颗粒物沉积会使压气机性能衰退,而壁面粗糙度是影响颗粒物沉积的重要因素。为研究不同粗糙度对CFM56-7B航空发动机压气机叶片颗粒物沉积的影响,通过逆向获得CFM56-7B航空发动机第一级压气机模型,利用CFD软件对模型进行仿真,研究了不同壁面粗糙度对亚微观颗粒物沉积的影响。仿真结果表明：壁面粗糙度增加使轮毂及机匣周围颗粒物运动速度明显减慢,当壁面粗糙度增大时,压力面颗粒物沉积量增加,吸力面颗粒物沉积量减少。     

多晶硅CVD反应器中新型热管的开发与仿真

基于已有的新型多晶硅CVD反应器,设计出有利于获得理想速度场和温度场的特殊热管结构,并对其进行了有限元强度分析和结构改进。对不同壁面发射率和不同壁面温度的热管进行了CFD仿真,计算得出:随着热管壁面温度的升高,多晶硅还原炉内环境温度也随之升高,但是多晶硅棒的总能耗与辐射能耗却随之降低;壁面温度从423 K上升至623 K时,硅棒总能耗和辐射能耗分别下降了2.84%和3.87%;随着发射率的降低,多晶硅还原炉内的环境温度、硅棒总能耗和辐射能耗都呈现下降趋势;硅棒的总能耗和辐射能耗分别下降了21.75%和24.42%。     

轮缘密封气流影响下的涡轮静叶通道流动特性研究

为探讨轮缘密封气流对高压涡轮静叶通道内流动特性的影响,采用SST湍流模型求解三维非定常雷诺方程,分析无封严腔、无封严气流以及4种封严流量下涡轮静叶通道内压力波动和气流变化。研究结果表明：封严腔出口受上游静叶压力场影响较大,燃气入侵发生在静叶尾缘附近压力面和吸力面两侧气流交汇形成的高压区;封严出流发生在静叶通道中间位置受吸力面侧扩压区影响的低压区;封严出流与主流掺混形成的新涡量结构卷吸了部分附面层流体,削弱了二次流结构的强度,同时对主流通道形成堵塞效应,推动了轮毂二次流向吸力面靠近同时径向位置的抬升;盘泵效应导致的封严出流与主流的掺混增强了非定常效应,封严流量的增大能够抑制通道内非定常效应。     

环下润滑结构中非圆柱液流在横向气流中脱落现象分析

为分析靠圆柱孔一侧射出的弓形截面非圆柱液流在横向气流中的脱落现象,使用CLSVOF（Couple Level Set VOF）多相流模型与大涡模拟（LES）模型相结合的方法,对非圆柱液流的脱落过程进行数值模拟。结果表明：非圆柱液流在横向气流中的脱落现象是由迎风面上气液密度差产生的Rayleigh-Taylor（R-T）不稳定性和液流边缘气液速度差产生的Kelvin-Helmholtz（K-H）不稳定性共同形成的表面波引起的,同时液流边缘外侧产生的连续漩涡也促进了液流的脱落;横向气流速度增加时,由于表面波增强液流的脱落量增大,横向气流方向改变时由于迎风面上的表面波现象减弱脱落量降低,说明了迎风面上形成的不稳定性表面波是引起液流脱落的主要因素。     

狭缝节流空气静压轴承局部气膜流场的直接数值模拟

采用3阶精度的迎风格式及2阶精度的中心差分格式,直接求解二维非定常N-S方程组,研究狭缝节流空气静压轴承压降恢复之后区域的流场特性。使用雷诺方程计算相同位置气膜中心处的流场状态,并与直接数值模拟方法的计算结果进行对比。结果表明:雷诺方程与N-S方程在计算域内计算结果基本一致,两者压力偏差为0.173%,速度偏差为1.217%;流场压力、密度沿气流方向逐渐减小,但在气膜方向几乎不变;流场速度、压力梯度沿气流方向逐渐增加,速度在流场出口处达到最大值;直接数值模拟方法得到了流场的温度变化,即整个流场的温度变化很小,温度整体呈上下高、中心低的分布,而雷诺方程无法计算得出整个流场的温度变化情况;采用雷诺方程计算轴承压降恢复之后区域的流场是合理的。     

载体长度对车用催化转换器流动特性的影响

采用计算流体动力学模型,利用UG对催化器进行三维建模,在Gambit中进行计算区域网格化和边界条件的定义,用CFD软件FLUENT对三种不同载体长度的催化转换器的速度场、压力场进行了三维稳态流动数值模拟,模拟结果表明:气流在扩张圆锥管壁面附近出现分离产生较强的扰动,造成局部流动损失和载体前气流速度沿径向分布不均匀.载体长度对催化转换器的气流分布有很大影响,对于同一直径的催化转换器,载体长度增加,催化转换器气流分布越均匀,其压力损失越大.     

气动热环境下喷管射流流场模拟

采用Witoszynski、Foelsch法及边界层修正量等因素对(4～6)马赫喷管型线进行设计,将所设计喷管射流及实验区流场环境进行模拟;通过改变喷管实验区入出口压力比,探讨最佳稳定流场时所对应的入出口压力比。为明确风洞实验中构件附近流场的准确分布,在实验区放置球锥模型,对比分析所设计喷管射流场及远场边界条件下的流场品质,探究实验区壁面及喷管模型对稳定气流的影响大小。同时,分析球锥构件半锥角的改变对喷管实验区射流的影响。研究结果表明:所设计喷管及实验区的流场都能保证高马赫、高品质稳定气流,验证了喷管型线设计的合理;两种环境下球锥模型附近的速度场、温度场及压力场分布差异明显,实现后续模拟构件在风洞实验的高温应变及模态等特性的结果更精确;喷管实验区流场中不同半锥角的构件温度分布规律结果对飞行器头部热防护的措施可提供理论参考。     

瞬态工况壁面温度对燃烧噪声的影响

研究了直喷式柴油机瞬态工况壁面温度对燃烧噪声的影响机理。开展内燃机瞬态工况测试技术和测试方法研究,通过对瞬态与稳态过程的壁面温度差异的研究分析,从气体动力载荷和高频压力振荡两方面分析研究瞬态噪声与稳态噪声产生差异的机理。瞬态工况壁面温度高于同负荷同转速的稳态工况。壁面温度的差异导致两种工况下滞燃期的改变,影响燃烧压力和缸内压力升高率以及压力高频振荡的频率和幅值。结果表明,瞬态与稳态工况壁面温度的差异影响到动力载荷与压力高频振荡,是两种工况下燃烧噪声产生差异的主要二级影响因素之一。     

自循环机匣对高速离心叶轮性能及稳定性影响的研究

本文以某高速离心压气机为研究对象,通过数值模拟的方法,研究了叶轮失稳流场和两种自循环机匣对其性能的影响,以期揭示自循环机匣影响叶轮性能和内部流场的内在机理。研究首先模拟叶轮在实壁机匣下的情景,发现小流量工况下的叶片表面二次流强度明显增大,在叶轮前缘和叶顶泄漏流大量掺混,以至于在分流叶片通道进口出现了大范围堵塞,形成大范围"尾迹区",引起叶片失速。针对上述现象,研究模拟叶轮在两种不同后槽位置的自循环机匣下的情景。采用自循环机匣结构后,最高能使失速裕度提升6%,设计点效率下降0.5%。在小流量工况下,气流主要由主叶片压力面附近流入机匣结构中。有效降低了叶顶泄漏流强度和压力面叶顶通道涡强度,同时还增加叶轮进口的流量,减小叶轮进口的气流攻角,降低了流动损失。     

液压调速阀流场分析

建立液压调速阀动力学模型和内部流道三维模型,利用计算流体动力学(CFD)分析调速阀流场,取得了液压调速阀稳态时内部压力场、速度场的分布规律以及阀体壁面粗糙度对其的影响规律。分析结果表明:出口可变节流孔处压力损失较大,且油液以喷射流形式流出,阀口需采用抗冲刷及高强度材料;阀体壁面粗糙度对压力损失有影响。计算结果与实验结果一致。     

高速磨削楔形区气流场建模与仿真

在磨削加工中,由于砂轮高速旋转在砂轮表面形成空气附面层,特别是在工件与砂轮楔形间隙内,附面层的压力场与速度场急剧变化,且在楔形间隙内出现了明显的返回流,严重制约磨削液的有效注入.利用附面层和流体力学理论建立了平面磨削中楔形区气流场的数学模型,并进行了仿真研究,结果表明:随着砂轮线速度的增大,楔形区的气流压强增加,气流速度也随之增大;随着砂轮与工件间最小间隙的减小,楔形区气流压力、水平方向气流速度以及垂直方向气流速度明显增加,返回流趋于剧烈,流场能量增加.     

切向流场影响下激光壁面加载特性

使用计算流体力学方法对激光壁面加载模型进行研究,重点分析受切向流场影响下,壁面出现熔池后所形成的两相流流场以及温度场。模拟结果表明:切向气流对激光壁面加载特性的影响不容忽略。激光加载初期,切向气流对壁面起气动冷却作用,随着熔池出现,熔池边界沿气流方向推移的速度快于向其反方向推移的速度。但随着熔池深度的增加,熔池的发展将呈现相反的趋势。随着加载过程不断持续,熔化边界向靶材内部推移的速度呈加速趋势。     

斜沟槽机匣处理对轴流风机性能影响的数值研究

为研究斜沟槽机匣处理对风机气动性能的影响,以OB-84型动叶可调式轴流风机为对象,基于FLUENT数值软件,模拟风机在原壁面和六种不同斜沟槽情况下的性能,分析叶顶与吸力面湍动能和涡量分布及不同叶高处的静压和静压差分布。研究表明:斜沟槽开槽位置与动叶叶顶前缘的距离及沟槽斜度对风机性能均有明显影响,斜沟槽机匣处理结构改变了叶顶泄漏流场的分布,缓解了泄漏流的发展,削弱了泄漏流与主流的掺混;与原壁面相比,经斜沟槽机匣处理的风机在设计流量下全压和效率均有一定程度提高。综合考虑效率与安全性,方案5具有最优的气动性能,设计流量下效率较原风机提高了0.59%。     

直升机主减机匣轴承座阻尼结构减振分析

针对某直升机主减机匣的振动噪声问题,对主减传动系统模型进行动力学仿真分析,求解了弧齿锥齿轮副高速传动时产生的动态啮合冲击力;以主减机匣为研究对象,基于阻尼减振机理,分析了轴承座添加泡沫铝阻尼材料对机匣振动的影响.求解机匣振动响应,研究轴承座不同厚度的泡沫铝材料对机匣固有频率、模态阻尼比的影响;分析了阻尼层不同安装位置对轴承座阻尼结构减振效果的影响.结果表明,主减速器啮合频率处机匣的振动加速度值减小14.89％;在轴承座处添加阻尼材料可以增大机匣模态阻尼比,有效地抑制机匣的振动.     

芯片冷却用微通道散热结构热流耦合场数值研究

对4种微通道散热结构(平行结构、网格结构、螺旋结构和树型结构)在相等传热面积、相同边界条件下的流场与温度场进行数值研究。通过热流耦合场数值分析,得出了不同微通道散热结构的电子芯片温度分布和微通道内的速度场,分析了微通道拓扑结构对电子芯片散热效果的影响。使用平行微通道散热的芯片温度均低于80℃,其中有81%的面积在60℃以下;使用网格和螺旋散热结构的芯片最高温度均在90℃以上,其中温度在20～60℃之间所占比例分别约为62%和61%;使用树型微通道散热的电子芯片温度均低于70℃,其中有94%的面积在60℃以下,且温度分布最均匀。此外,芯片微通道内的流体平均流速大的微通道系统能带走更多的热量。     

微流道壁面粗糙度影响的电渗流数值模拟

基于微流控动力学理论,应用有限元分析方法求解二维平板粗糙壁面微流道模型内矩形截面双电层场和速度场的耦合控制方程。从数值模拟角度研究不同矩形粗糙元对称分布微流道内的电渗流流动特性,分析了粗糙度对微流体流动的影响机理。结果表明:由于粗糙元的阻力作用,粗糙壁面流道内流体速度减小,引起的压力突变导致壁面附近速度出现波动。随着粗糙元高度、宽度的增加,电渗流流速相应地降低或升高。