为掌握固定几何气动矢量喷管气动性能,通过CFD数值模拟的方法,研究了主流落压比、扩张段二次流落压比、扩张段二次流角度和引射对固定几何气动矢量喷管轴向推力系数的影响;主流落压比、扩张段二次流落压比和扩张段二次流角度对矢量角的影响;主流落压比、喉道二次流落压比和喉道二次流角度对喉道控制率的影响。结果表明:随主流落压比增大轴向推力系数增大,矢量角减小,喉道控制率减小;随扩张段二次流落压比增大推力系数减小,矢量角增大;随喉道二次流落压比增大,喉道控制率增大;随扩张段二次流角增大轴向推力系数减小,矢量角略有减小;随喉道二次流角增大喉道控制率增大;随引射方式增加喷管推力系数增大。

随着现代飞行器动力性能的日益提高和工作范围的不断扩大,传统直接连接式畸变模拟试验局限性越来越大,先进航空动力研发的一些关键技术,如动态畸变响应的动力学问题、进气道-发动机流量协调与模态转换问题等,都离不开自由射流试验。早在20世纪中期就诞生的自由射流进气装置面临着诸多挑战,新一代高性能航空发动机进发匹配试验的迫切需求,也为其进一步发展提供了新的契机;同时,构型创新和虚实结合为自由射流进气装置及其试验带来了全新的、智能化的发展方向。为了使构型创新自由射流进气装置满足新一代高性能航空发动机进发匹配试验的需求,详细介绍了国内外进气装置的开发历程,从自由射流试验技术、气动设计、结构设计、以及姿态设计等4个方面,对典型构型的基本原理和气动性能进行了综合分析,阐述了进气装置的基本特征及其发展所

针对典型航空发动机阀控不对称作动筒的结构在带负载工况下的应用和理论分析情况,讨论了作动筒正、反向负载对伺服作动控制的影响,提出了1种阀控不对称作动筒的伺服控制系统建模与分析方法。将该方法在项目案例上的分析结果与实际项目试验数据进行对比,结果表明该方法切实可靠,模型置信度高,对实际应用具有指导意义。同时,为了使作动筒往返控制效果一致,作动筒负载方向应设计为反向负载,负载力大小应设计在FL0附近。

为了使二元收敛喷管同时具有较优的气动特性和红外隐身效果,发展和完善了基于超椭圆截面和圆角矩形截面的二元收敛喷管型面设计方法,分析了2种截面的控制参数,采用多项式函数推导了不同类型的横截面控制参数沿程变化规律,指出了截面控制参数与其沿程变化规律之间的几何约束关系,并进行数值计算和试验分析。结果表明:采用横截面构型的二元喷管具有光顺过渡的几何外形,通过选取合适的截面控制参数和沿程变化规律,均可设计出性能较高的二元收敛喷管。

针对1种用于航空发动机内流道静压测量的皮托管式静压探针,通过CFD仿真计算和风洞试验对其气动性能进行对比研究。结果表明:来流速度在Ma=0.3～0.7范围内,CFD计算结果和试验结果有较高的一致性;探头上的压力系数在不同Ma下具有相同的分布规律,压力最大值出现在探头前端,最小值出现在约x_1/L=0.07处;随着Ma升高,支杆上的附面层分离点前移并导致探头上的压力系数略有增大;试验结果还表明,在x_1/L=0.1处开感压孔能够获得较高的测试精度。

为了快速有效地完成叶片造型,提高压气机气动性能,以全3维黏性反问题设计方法为基础,研究了全新的可控扩散叶型设计方法。基于黎曼不变量守恒建立了吸力和压力面型线与其对应静压分布之间的关系,通过给定叶片表面静压分布,求解吸力和压力面型线坐标几何参数。为了验证方法的有效性,以NASA Stage 35静子叶片为设计算例,通过全3维数值模拟得到其流场参数分布,进而采用可控扩散叶型的设计思路,对NASA Stage 35静子叶片表面的静压分布进行修改,以修改后的静压分布作为目标进行反问题设计计算,最终设计出满足设计要求的叶片几何型线。改型后的静子叶片通道内流场很好地实现了可控扩散叶型的流动结构,叶片总体气动性能得到提升,验证了可控扩散叶型全3维反问题设计方法的准确性和有效性。

为了探究不同进口总压分布对涡轮气动损失的影响规律及作用机理,以 GE-E3 发动机高压涡轮的第 1 级导叶为研究对象,通过设定总压畸变高度和强度,利用数值模拟方法对多种涡轮进口 1 维分布形式下的涡轮气动性能展开研究。结果表明:当端区总压强于中展区总压时,静叶压力面附近流体向中展区汇集碰撞,出口效率降低;随进口总压畸变强度的提高,静叶出口效率线性降低;当端区总压弱于中展区总压时,静叶出口效率变化不大;单级涡轮出口效率随总压畸变形式变化的规律与静叶的类似。

为了研究高超声速流激波边界层干扰特性,选取HIFi RE-2(The Hypersonic International Flight Research Experimentation2)项目的高超声速流道为研究对象,采用k-ωSST模型在无燃油工况下模拟计算地面试验过程,所得计算结果与试验结果接近。在此基础上,分析激波边界层干扰过程、流动分离现象及入口马赫数对气动热影响。结果表明:随着入口马赫数增大,激波角变小,激波强度提高,在尾喷管中激波反射次数减少;随着入口速度增大,边界层分离区范围变小,回流区的位置逐渐向下游移动;加入气动耗散项后,流场的温度有一定升高,最大温升约为50 K。

为了合理利用叶片周向弯提升紧凑S形过渡段内静子的气动性能,以某压缩系统过渡段内的静子为研究对象,利用3维计算软件对S形过渡段内采用不同周向弯的静子在设计Ma可用攻角范围内的性能进行数值计算。结果表明:气动负荷是控制静子叶片损失的主要因素,叶片周向弯改变了负荷的径向分布,叶片根部正弯使根部气动负荷减小,根部性能明显改善;低能流体径向迁移也是影响叶片损失的重要因素。相对于直叶片,L形叶片最小损失减小48.5%,且低损失攻角范围较宽,可以增大压缩系统的喘振裕度,提升航空发动机性能水平。

为了获得低压涡轮动叶叶顶间隙泄漏流动特性,采用数值方法研究带冠动叶叶顶间隙对低压涡轮级气动性能的影响。对试验测量的扇形带冠叶顶叶栅气动性能进行数值计算,得到的叶栅总压恢复系数与试验数据吻合良好,验证了数值方法的可靠性。对没有间隙和3种动叶叶顶间隙条件下低压涡轮级的气动性能和动叶叶顶间隙泄漏流动特性进行对比分析。结果表明:带冠动叶叶顶间隙增大导致转子叶尖的出口气流角增大和叶顶间隙泄漏量增加;涡轮级气动效率降低和叶顶间隙泄漏量增加与带冠动叶叶顶间隙增大呈近似线性变化;在相同叶顶间隙条件下,出口马赫数对叶顶间隙泄漏量的影响较小;随着涡轮级出口马赫数的提高,出口气流角度减小。