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轴流压气机叶片与机匣处理一体化优化设计

航空动力学报 2024年第7期39卷 205-216页

作者：范忠岗巴顿邱佳慧杨晨杜娟中国科学院工程热物理研究所先进燃气轮机实验室北京100190 中国科学院先进能源动力重点实验室北京100190 中国科学院轻型动力创新研究院北京100190 中国科学院大学航空宇航学院北京100049

针对一台低速轴流压气机搭建了叶片与机匣处理一体化优化设计平台,基于自由变形技术关联设计参数与工程参数,实现多目标优化.综合考虑效率和裕度指标,在峰值效率不降的情况下获得了7.21%的裕度拓宽量.针对最优方案,分析了叶顶堵塞及损... 详细信息

针对一台低速轴流压气机搭建了叶片与机匣处理一体化优化设计平台,基于自由变形技术关联设计参数与工程参数,实现多目标优化.综合考虑效率和裕度指标,在峰值效率不降的情况下获得了7.21%的裕度拓宽量.针对最优方案,分析了叶顶堵塞及损失分布,探讨了叶片与机匣处理一体化优化设计的扩稳机理.研究发现:叶片弯掠和机匣处理组合作用下,最大堵塞位置由24.7%叶顶轴向弦长后移至33.6%叶顶轴向弦长,最大损失位置由21.4%叶顶轴向弦长后移至30.6%叶顶轴向弦长,叶顶泄漏涡的抑制和低能堵塞区的消除是一体化优化设计扩稳的主要原因.

关键词：轴流压气机自由变形技术一体化优化设计裕度拓宽堵塞熵产率

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氢混燃料旋流预混火焰传递函数的实验研究

推进技术 2024年

作者：张金锋胡宏斌姜磊王偲臣王博涵罗易洲江苏大学流体机械工程技术研究中心国家管网集团西部管道有限责任公司中国科学院工程热物理研究所先进燃气轮机实验室

为测量旋流预混燃烧器的火焰传递函数并探究其火焰动态响应特性，针对声激励下甲烷/空气和甲烷/氢/空气的燃烧特性开展实验研究，掺氢比10%～60%。声激励通过双扬声器施加，频率为20～400 Hz。释热率采用光电倍增管测量火焰自发CH*荧光... 详细信息

为测量旋流预混燃烧器的火焰传递函数并探究其火焰动态响应特性，针对声激励下甲烷/空气和甲烷/氢/空气的燃烧特性开展实验研究，掺氢比10%～60%。声激励通过双扬声器施加，频率为20～400 Hz。释热率采用光电倍增管测量火焰自发CH*荧光信号，速度脉动采用双麦克风法测量火焰面处空气速度脉动，并在燃烧室下游使用动态压力传感器采集压力脉动信号，采用数码相机记录火焰图像。实验结果表明，燃料掺氢后，火焰形态由扩张的大火焰向聚拢的短火焰过渡变化，低频激励下火焰时均结构被明显改变。不同条件下的火焰传递函数均有高增益峰和低响应谷，且具备低通和带通特性，带通频率为80～200 Hz，相位则保持线性下降。特别地，高掺氢比火焰在更高频率产生了多个高增益峰，体现了掺氢火焰的高不稳定性特征。

关键词：声激励旋流火焰氢混燃料燃烧不稳定性火焰传递函数火焰动态响应

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基于吸力面叠加厚度的超跨声叶型优化设计

航空动力学报 2024年第5期39卷 262-272页

作者：刘帅鹏耿少娟金芸李鑫龙张宏武中国科学院工程热物理研究所先进燃气轮机实验室北京100190 中国科学院轻型动力创新研究院北京100190 中国科学院先进能源动力重点实验室北京100190 中国科学院大学航空宇航学院北京100049 中国科学院大学工程科学学院北京100049

为提高轴流压气机叶型优化设计水平,提出了一种基于吸力面叠加厚度分布的参数化造型方法,结合基于Kriging代理模型与差分进化的代理优化方法开发了一套优化设计平台,并将吸力面控制参数作为优化变量,对某跨声与超声叶型进行性能优化。... 详细信息

为提高轴流压气机叶型优化设计水平,提出了一种基于吸力面叠加厚度分布的参数化造型方法,结合基于Kriging代理模型与差分进化的代理优化方法开发了一套优化设计平台,并将吸力面控制参数作为优化变量,对某跨声与超声叶型进行性能优化。结果表明:基于吸力面叠加厚度分布的叶片造型方法能对叶型进行较好的表达,并成功应用在优化设计平台中。跨声、超声优化叶型在设计点损失分别降低了10.66%与7.4%。分析表明:跨声优化叶型的主要特征是吸力面型线前缘附近型线弯度降低,使得激波强度降低,激波损失与边界层损失降低,同时中后部位置处的负荷增大,扩张通道扩压能力增强;超声叶型优化由于边界层影响更显著,因此还需要更多考虑吸力面扩张通道区域型线;叶型喉部位置与喉部宽度会影响堵塞冲角的变化。

关键词：轴流压气机超跨声叶型吸力面厚度分布参数化造型方法 Kriging代理优化气动优化

燃气轮机二次空气系统流体网络数值方法研究进展

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热能动力工程 2024年第1期39卷 1-11页

作者：刘子祎王辉李星星王偲臣中国科学院工程热物理研究所先进燃气轮机实验室北京100190 国家管网集团联合管道有限责任公司西部分公司新疆乌鲁木齐830000 中国科学院大学北京100049

针对燃气轮机二次空气系统流体网络数值模拟技术,回顾了流体网络数值计算方法和流程以及典型流阻元件流动与传热特性机理等方面的研究进展;重点归纳总结了篦齿封严、轮缘密封和旋转盘腔等二次空气系统重要流阻元件特性分析的常用研究方... 详细信息

针对燃气轮机二次空气系统流体网络数值模拟技术,回顾了流体网络数值计算方法和流程以及典型流阻元件流动与传热特性机理等方面的研究进展;重点归纳总结了篦齿封严、轮缘密封和旋转盘腔等二次空气系统重要流阻元件特性分析的常用研究方法与结果;在此基础上,提出二次空气系统流体网络数值模拟技术的发展需求和方向,主要包括:完善二次空气系统稳态计算方法,降低算法初值敏感性并提升收敛速度;流阻元件多物理场耦合数值模拟研究及特性分析;提高元件一维流动模型的计算精度,优化单个流阻元件及其在整个系统中的相互作用,进而提高二次空气系统整体设计水平。

关键词：二次空气系统流体网络法数值模拟流阻换热流动参数

拉伸-扭转复合加载对镍基高温合金GH4169力学性能与变形机理的影响

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金属学报 2024年第1期60卷 30-42页

作者：杨俊杰张昌盛李洪佳谢雷王虹孙光爱中国工程物理研究院核物理与化学研究所中子物理学重点实验室绵阳621999

研究镍基高温合金在近服役条件下的力学性能与内在变形机理具有重要意义,但现有研究主要集中于单轴加载下的力学行为,多轴加载相关研究报道较少。为此,本工作对比研究了单轴和复合加载下多晶镍基高温合金GH4169的力学性能变化规律及其... 详细信息

研究镍基高温合金在近服役条件下的力学性能与内在变形机理具有重要意义,但现有研究主要集中于单轴加载下的力学行为,多轴加载相关研究报道较少。为此,本工作对比研究了单轴和复合加载下多晶镍基高温合金GH4169的力学性能变化规律及其微观变形机制差异。在25℃下对多晶镍基高温合金GH4169进行拉伸-扭转复合加载,结合SEM、TEM、EBSD和中子衍射研究了加载方式对其力学性能、微观组织以及变形机理的影响。结果表明,拉伸样品的屈服强度和极限强度均随预扭转角度增加而增大(增幅分别约为150%和13%);在20%预拉应变下,扭转样品的屈服强度和延伸率均有所增加(增幅分别约为31%和16%)。拉伸和扭转变形后样品中的位错密度明显增大;同时复合加载下位错密度相较于单轴加载略小,表明存在位错湮灭效应。预加载产生的位错强化效应提高了屈服强度,而随后复合加载下位错湮灭效应使预拉伸扭转样品的极限强度有所降低。预扭转形成梯度结构的力学强化作用一定程度上抵消了位错湮灭效应的影响。研究表明,多轴加载方式可调控材料微观结构和变形机制,进而实现材料强度和韧性的协调提升。

关键词：多晶镍基高温合金复合加载力学性能变形机理中子衍射

一种适用于复杂加载状态下微喷射物质面密度测量的Asay膜方法

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爆炸与冲击 2024年第3期44卷 159-168页

作者：王维荣陈书杨王学军赵信文黄世璋李欣竹吴强中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理全国重点实验室四川绵阳621999

为了解决传统Asay膜方法不适用于复杂加卸载条件下微喷射物质面密度测量的问题,采用光子多普勒速度计(photonic Doppler velocimetry,PDV)测量微喷射物质速度结合传统Asay膜方法的膜速曲线发展了测试复杂加载条件下微喷射面密度的新方... 详细信息

为了解决传统Asay膜方法不适用于复杂加卸载条件下微喷射物质面密度测量的问题,采用光子多普勒速度计(photonic Doppler velocimetry,PDV)测量微喷射物质速度结合传统Asay膜方法的膜速曲线发展了测试复杂加载条件下微喷射面密度的新方法。采用数值实验和轻气炮实验对新方法进行了分析和评估。针对3种典型微喷射物质速度分布情况,利用数值实验分析评估了实际应用场景下因PDV给出的微喷物速度偏离理论值对面密度测量的影响,通过对PDV给出的微喷物速度线性插值处理,可确保新方法与理论值测量偏差小于20%。通过轻气炮加载预置粉末样品实验对比评估了新方法和传统方法的测量效果,采用2种方法分别处理同一发实验数据,结果显示,新方法相较于传统Asay膜方法的测量偏差小于20%。

关键词：微喷射 Asay膜光子多普勒速度计面密度

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多级轴流压气机一维性能预测程序开发及应用

热能动力工程 2024年第1期39卷 12-22页

作者：刘稼昊耿少娟金芸张宏武江苏大学流体机械工程技术研究中心江苏镇江212013 中国科学院工程热物理研究所先进燃气轮机实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049

为了实现对轴流压气机气动性能的准确预测,基于平均流线法建立了多级轴流压气机一维气动性能预测方法,编制了相应的Matlab程序,该方法允许针对不同类型压气机选择适用的经验模型。通过计算得到了某四级亚音速轴流压气机和某八级高速轴... 详细信息

为了实现对轴流压气机气动性能的准确预测,基于平均流线法建立了多级轴流压气机一维气动性能预测方法,编制了相应的Matlab程序,该方法允许针对不同类型压气机选择适用的经验模型。通过计算得到了某四级亚音速轴流压气机和某八级高速轴流压气机的气动性能,对比分析发现,一维性能预测结果与实验/三维CFD模拟结果吻合较好,效率与压比计算偏差均保持在较小范围内,预测结果精度较高。为进一步提高压气机气动性能预测的准确性,发展了一种经验模型自动校准方法,采用该方法对选取的四级亚音速轴流压气机和八级高速轴流压气机模型进行校准,校准后对各转速下气动性能的预测精度均有所提高。研究工作表明,所建立的多级轴流压气机一维气动性能预测方法以及模型自动校准方法具有一定的准确性和可靠性。

关键词：轴流压气机一维性能预测经验模型校准 Matlab程序

孔洞增长层裂模型的改进及其在模拟不同加载波形层裂实验结果方面的应用

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爆炸与冲击 2024年第5期44卷 48-53页

作者：张凤国王裴王言金胡建波北京应用物理与计算数学研究所北京100094 中国工程物理研究院流体物理研究所冲击波物理与爆轰物理全国重点实验室四川绵阳621999

冲击波在靶板自由面反射导致靶板材料内部产生动态拉伸层裂损伤是材料的典型损伤破坏形式之一,材料的初始微结构、冲击加载的强度和应变率、温度等因素直接影响材料内部的损伤演化过程。靶板自由面速度曲线变化间接反映材料内部损伤的... 详细信息

冲击波在靶板自由面反射导致靶板材料内部产生动态拉伸层裂损伤是材料的典型损伤破坏形式之一,材料的初始微结构、冲击加载的强度和应变率、温度等因素直接影响材料内部的损伤演化过程。靶板自由面速度曲线变化间接反映材料内部损伤的演化过程,在层裂损伤物理模型研究方面,目前采用适宜的层裂损伤模型较好地模拟不同冲击加载波形下靶板自由面速度曲线的相关文献很少,主要借助实验手段探讨加载波形与自由面速度曲线变化以及层裂损伤演化过程之间的关联。对于孔洞增长层裂损伤模型,通过解析加载应变率与层裂强度以及损伤模型初始损伤参数之间的相互关系,给出了模型初始损伤参数的计算方法,有效地将损伤模型初始损伤参数与加载应变率关联在一起。该计算方法不仅可以较好地模拟方波、三角波以及泰勒波冲击加载铝材料层裂实验的自由面速度曲线,同时,计算得到的层裂强度和层裂片厚度也与实验结果符合。此外,还进一步分析了靶板内部不同位置的初始损伤、层裂强度的分布与应变率之间的关联,以及其对自由面速度曲线的影响。

关键词：冲击加载波形层裂损伤自由面速度数值分析

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基于改进叠加法的变几何轴流压气机性能预测

清华大学学报（自然科学版） 2024年第5期64卷 869-878页

作者：刘欢张士杰中国科学院大学工程科学学院北京100190 中国科学院工程热物理研究所先进能源动力重点实验室北京100190

压气机作为燃气轮机的核心部件,对燃气轮机及其热力循环的性能影响显著,准确预测压气机性能至关重要。该文基于通用级特性曲线,采用改进的逐级叠加法构建了一个变几何多级轴流式压气机性能预测模型。该模型针对现代重型燃气轮机压气机... 详细信息

压气机作为燃气轮机的核心部件,对燃气轮机及其热力循环的性能影响显著,准确预测压气机性能至关重要。该文基于通用级特性曲线,采用改进的逐级叠加法构建了一个变几何多级轴流式压气机性能预测模型。该模型针对现代重型燃气轮机压气机的变几何特点,提出了考虑入口导叶(IGV)和可变静叶(VSV)的压气机级特性计算方法。通过在引气级所对应的连续性方程中扣除引气量的方式,该模型还预测了级间引气对压气机性能的影响。与实验结果的对比验证表明:该模型不仅可准确地预测压气机整机性能及变几何结构、级间引气对压气机性能的影响,结果的相对误差最低可达0.450%,而且可得到压气机各级的几何参数和热力学参数,为后续开发压气机部件稳态和动态模型提供了基础。

关键词：轴流式压气机变几何多级性能预测级间引气

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