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复杂工况下储能飞轮转子传力支承与减振设计

太阳能学报 2024年第4期45卷 356-364页

作者：林大方王四季王程阳刘源陈佳窈西北工业大学动力与能源学院西安710129

针对复杂工况下飞轮转子上、下传力支承角接触球轴承与支座间隙配合导致的振动问题,以及真空环境下振动控制问题,提出飞轮转子上支承采用圆柱滚子轴承,下支承采用深沟球轴承+成对角接触球轴承联合传力支承方案,解决了复杂工况下轴向力... 详细信息

针对复杂工况下飞轮转子上、下传力支承角接触球轴承与支座间隙配合导致的振动问题,以及真空环境下振动控制问题,提出飞轮转子上支承采用圆柱滚子轴承,下支承采用深沟球轴承+成对角接触球轴承联合传力支承方案,解决了复杂工况下轴向力调整、磁轴承失效、轴向力平衡、支承刚度连续、支承系统变形协调等结构设计难题。同时引入一种主控式弹支干摩擦阻尼器(ESDFD),抑制转子径向振动。采用有限元法建立ESDFD-储能飞轮转子系统耦合动力学模型,计算飞轮转子动力学特性,分析单/双阻尼器对转子振动的控制效果。结果表明:针对转子一阶、二阶模态振动,采用单/双阻尼器控制方式,最大响应均低于30μm,减振比超过90%。

关键词：飞轮储能结构设计振动控制主控式弹支干摩擦阻尼器

分布式电推进系统中涵道风扇耦合效应的试验与数值研究

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推进技术 2024年第3期45卷 149-159页

作者：周芳王掩刚王思维陈延俊邱亚松西北工业大学动力与能源学院陕西西安710129 西北工业大学航空学院陕西西安710072

基于分布式电驱动涵道风扇推进系统在气动性能、推进效率和鲁棒性方面具有极大应用潜力,系统中复杂的耦合效应缺乏深入研究和理解。本文应用试验与数值模拟相结合的方式研究了某分布式涵道风扇系统中推进器之间的耦合效应,分析了推进器... 详细信息

基于分布式电驱动涵道风扇推进系统在气动性能、推进效率和鲁棒性方面具有极大应用潜力,系统中复杂的耦合效应缺乏深入研究和理解。本文应用试验与数值模拟相结合的方式研究了某分布式涵道风扇系统中推进器之间的耦合效应,分析了推进器之间耦合干涉作用的规律与机理,为推动分布式电驱动涵道风扇的飞行器工程应用提供理论基础。研究结果表明:相较于风扇的孤立型布局,分布式布局风扇进口存在速度畸变影响涵道风扇性能,导致推力降低4%;分布式布局中风扇之间的耦合效应等效于风扇两侧存在虚拟且无黏的壁面结构,该虚拟壁面结构会诱发风扇两侧的两对流向涡;机翼-风扇之间的耦合效应表现为机翼的有黏壁面结构,会诱发风扇唇口上方的流动分离以及近机翼侧的一对流向涡;在分布式布局中涵道风扇出现转速下降或失效时,仅会对邻近风扇的性能造成影响,由于边缘风扇失效只有一个邻近风扇摄取失效风扇上游的流量,而中间风扇失效有两个邻近风扇用于摄取流量,边缘风扇失效对流动的影响高于中间风扇。

关键词：分布式布局孤立型布局涵道风扇耦合效应风扇失效

航空发动机滑油回油管内的流型识别及含气率预测研究

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推进技术 2024年第5期45卷 125-131页

作者：李澍胡剑平谭逸朱鹏飞吕亚国西北工业大学能源与动力学院陕西西安710072

发动机润滑系统回油管内油气两相介质的流动特性直接影响系统中回油泵及散热器的工作特性。为辨别回油管内油气两相流流型和建立含气率预测关系式,本文搭建了模拟轴承腔回油管流动的实验系统,并依据涡轴发动机回油量及油气比完成了700... 详细信息

发动机润滑系统回油管内油气两相介质的流动特性直接影响系统中回油泵及散热器的工作特性。为辨别回油管内油气两相流流型和建立含气率预测关系式,本文搭建了模拟轴承腔回油管流动的实验系统,并依据涡轴发动机回油量及油气比完成了700组不同工况的实验测试。实验空气与滑油流量范围分别为10~200 SL/min与6~37 L/min。本文对实验范围内的管内流型进行了判别,并修正了含气率的预测模型。首先对两种极限工况的压力信号的时序特征、概率密度函数和傅里叶变换进行分析,判定其流型为分层流和弹状流。将流型结果与Mandhane流型图进行对比,显示Mandhane流型图并不能准确预测回油管内的油气两相流流型。其次利用含气率经验关系式进行含气率预测,发现Massena预测模型预测的含气率与实验值更接近,预测结果更准确。分层流的含气率在50%以下,而弹状流的含气率在50%以上。最后根据流型对Nicklin经验关系式进行修正,得到分层流和弹状流对应的分布系数分别为0.848和0.919。

关键词：润滑系统回油管流型识别压力特征含气率预测分布系数修正

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光流法测速在点火过程研究中的应用

燃烧科学与技术 2024年第1期30卷 25-31页

作者：宋尔壮雷庆春范玮西北工业大学动力与能源学院西安710129

光流法作为一种运动图像分析方法,正在越来越广泛地被应用于燃烧诊断领域,它能够定量获得火焰面位移速度.在强迫点火过程研究中,准确测量火核的演变速度能够更清楚地揭示其物理化学过程本质,基于此,本文验证了利用光流法研究点火过程的... 详细信息

光流法作为一种运动图像分析方法,正在越来越广泛地被应用于燃烧诊断领域,它能够定量获得火焰面位移速度.在强迫点火过程研究中,准确测量火核的演变速度能够更清楚地揭示其物理化学过程本质,基于此,本文验证了利用光流法研究点火过程的可行性,并分析了其准确度,研究了静止混气和扩散射流中的强迫点火过程,定量展示了强迫点火过程中火核的发展速度,可为点火模型的建立提供数据支撑.结果显示,射流中火核的发展速度呈现先慢后快的特点,并且在发展过程中,其速度矢量场中会出现多个发散源.

关键词：光流法点火火焰传播速度

燃料电池燃气涡轮航空混合推进系统总体性能及匹配分析

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航空学报 2024年第10期45卷 160-173页

作者：姬志行王占学程莉雯秦江刘禾西北工业大学动力与能源学院西安710000 哈尔滨工业大学能源科学与工程学院哈尔滨150001

为大幅减小发动机耗油率,降低碳排放,提升飞机续航能力,提出了基于碳氢燃料的燃料电池燃气涡轮航空混合推进系统,通过预重整和高温燃料电池实现碳氢燃料的电化学利用并避免传统氢燃料电池飞机储氢困难、体积能量密度小的问题,另一方面,... 详细信息

为大幅减小发动机耗油率,降低碳排放,提升飞机续航能力,提出了基于碳氢燃料的燃料电池燃气涡轮航空混合推进系统,通过预重整和高温燃料电池实现碳氢燃料的电化学利用并避免传统氢燃料电池飞机储氢困难、体积能量密度小的问题,另一方面,利用燃气涡轮增加燃料电池功率密度,减小其体积和质量。以MQ-1无人机为匹配对象,通过建立推进系统质量和热力学性能模型,对混合系统进行了部件参数匹配分析。随着燃料利用率减小,燃料电池极化减小,换热器平均换热温差增加,因而混合推进系统质量急剧下降,耗油率大幅上升,该航空混合系统质量与总效率的优化方向相反。随压比增加,燃料电池功率和质量增加幅度较大,导致飞机载油量降低,但在燃料电池电流密度为常数时,对燃料电池和混合系统效率影响较小。设计条件下,混合系统中燃料电池和换热器占据混合系统质量的主要部分,超过70%。相比原型内燃机动力,混合推进系统质量约增加40%,但热效率可提高约111%。此外,混合推进系统可满足飞机在爬升阶段和巡航阶段的功率需求,装备该动力的无人机续航时间可提高97%。

关键词：燃料电池低碳航空混电飞机氢能动力性能匹配长航时

基于组合模型的航空发动机全工况振动趋势预测

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航空动力学报 2024年

作者：姚尚鹏王俨剀罗潇西北工业大学动力与能源学院

航空发动机运行过程中稳态与过渡态相互交织，导致振动趋势数据具有强非线性及高时变性。针对现有振动趋势预测研究中工况单一、预测精度低的问题，提出一种基于组合模型的航空发动机全工况振动趋势预测模型。首先使用改进变分模态分解... 详细信息

航空发动机运行过程中稳态与过渡态相互交织，导致振动趋势数据具有强非线性及高时变性。针对现有振动趋势预测研究中工况单一、预测精度低的问题，提出一种基于组合模型的航空发动机全工况振动趋势预测模型。首先使用改进变分模态分解算法（IVMD）进行振动数据分解处理以弱化其非线性与时变性；其次采用融合多策略改进的麻雀搜索算法（ISSA）对IVMD-BiLSTM预测模型的网络参数设置开展了优化计算；最后以航空发动机振动趋势数据为基础，检验预测模型在稳态工况和过渡态工况下的预测性能。模型验证结果表明：对于全工况振动趋势数据，在进行数据分解处理以及ISSA算法优化组合模型参数后，预测效果综合提升指标CEI可达55.13%；此外组合模型对于不同状态下的稳态与过渡态振动趋势预测性能优异，模型泛化性良好。

关键词：航空发动机振动预测组合模型数据分解参数优化

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叶轮机械大规模CFD并行计算方法应用验证

推进技术 2024年第11期 19-29页

作者：赵磊俞一波高丽敏李瑞宇王可鑫西北工业大学动力与能源学院

针对叶轮机械全环模型在大规模数值模拟中的计算需求，结合叶片通道模型的周期性特征，提出了一种创新的分层几何区域分解方法。这种方法通过有效地分解计算任务，实现了在不同计算核心间的负载均衡，优化了并行计算效率。在具备300PFlo... 详细信息

针对叶轮机械全环模型在大规模数值模拟中的计算需求，结合叶片通道模型的周期性特征，提出了一种创新的分层几何区域分解方法。这种方法通过有效地分解计算任务，实现了在不同计算核心间的负载均衡，优化了并行计算效率。在具备300PFlops (每秒3×1017次浮点计算)和200PFlops(每秒2×1017次浮点计算)计算能力的高性能计算平台上，本方法能够在1～6 h内完成1.8亿网格规模的多级压气机全环求解。通过对多个典型叶轮机械的算例分析，全面验证了所提出并行方法的性能和计算精度。结果表明，各模型的计算结果与实验数据高度一致，计算误差不超过6%，确保了计算准确。在万核规模的计算任务中，所采用的并行计算方法能够实现线性加速，并行效率在90%以上，证明了其在大规模计算中的高效性。此外，本方法在国产高性能计算平台上同样表现出良好的可移植性和适应性，充分展示了其在不同硬件架构上的广泛适用性及有效性。

关键词：叶轮机械多级压气机高性能计算计算流体力学全环计算

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考虑化学反应的激光诱导空化气泡动力学特性研究

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推进技术 2024年

作者：王成彦严红张睿帆刘凡西北工业大学动力与能源学院

空化气泡演化特性对于航空燃料高压射流雾化、激光等离子体点火助燃等过程有着重要的影响。本文结合实验与数值模拟，对单脉冲激光在液体水中诱导的空化气泡动力学特性进行研究，重点分析了化学反应过程对气泡演化特性的影响。实验中通... 详细信息

空化气泡演化特性对于航空燃料高压射流雾化、激光等离子体点火助燃等过程有着重要的影响。本文结合实验与数值模拟，对单脉冲激光在液体水中诱导的空化气泡动力学特性进行研究，重点分析了化学反应过程对气泡演化特性的影响。实验中通过高速摄影捕获了空化气泡在坍缩过程中的发光现象，证实了化学反应的存在。进一步通过数值模拟对比分析了有无化学反应时空化气泡动力学特性演化的差异，并与实验数据进行对比，验证了化学反应对气泡温度、压力和半径等的演化都有重要影响。气泡内水蒸气的分解导致了气泡温度的降低，不可凝气体的生成增强了气泡的二次膨胀过程，并且与实验结果吻合更好。进一步对比了同步气泡对间的相互作用，阐明了气泡形态发展对气泡动力学特性的影响规律。

关键词：激光诱导空化气泡同步气泡对水分解激波可压缩两相流

数值研究复合锯齿对涡轮单音噪声及模态结构的影响

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推进技术 2024年

作者：向康深张良吉陈伟杰连健欣乔渭阳西北工业大学动力与能源学院

涡轮噪声将成为未来超扇发动机主导噪声源之一，由于目前涡轮噪声研究的匮乏，急需开展涡轮气动噪声控制方法和降噪规律研究，降低涡轮噪声成为发展“超安静”发动机瓶颈的可能性。首先采用单级轴流涡轮声学实验台NPU-Turb对URANS/AA（U... 详细信息

涡轮噪声将成为未来超扇发动机主导噪声源之一，由于目前涡轮噪声研究的匮乏，急需开展涡轮气动噪声控制方法和降噪规律研究，降低涡轮噪声成为发展“超安静”发动机瓶颈的可能性。首先采用单级轴流涡轮声学实验台NPU-Turb对URANS/AA（Unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes equation/Acoustic Analogy）混合模型进行了实验验证，结果表明，与NPU-Turb管道声模态实验数据相比，URANS/AA混合模型预测最大误差为2.2 dB，可以作为有效的涡轮单音噪声预测方法。基于URANS/AA混合模型，选取更具代表性的GE E3末级低压涡轮为研究对象，进一步探索不同仿生构型（锯齿尾缘静叶SS、锯齿前缘动叶SR和复合构型SS/SR）对涡轮气动性能，尾迹干涉单音噪声和模态结构的影响。结果表明，相对于基准构型，SS更有利于提升涡轮气动效率（效率收益最大为0.80%），SS/SR更有利于增加单音噪声降噪收益（降噪收益最大为1BPF的5.5 dB和2BPF的8.2 dB）。并且，整体上锯齿幅值A/锯齿波长W的比值越大，效率收益越低，噪声收益越大。此外，锯齿结构对径向模态声功率级的影响与径向模态数的变化趋势呈现出非周期性波浪变化，且不同仿生构型均可以有效降低主导径向模态（1BPF时的0阶和1阶径向模态，2BPF时的2至5阶径向模态）的声功率级，进而带来噪声的降低，这为仿生锯齿控制模态结构进而控制叶轮机噪声提供新的研究方向。

关键词：涡轮噪声混合模型仿生构型模态结构效率降噪