基本介紹
- 中文名：氣動穩定性模型
- 外文名：The aerodynamic stability model
- 一級學科：航空航天
- 二級學科：空氣動力學
- 作用：用於分析航空發動機的氣動穩定性
- 氣動穩定性：發動機相對於干擾的保持能力
氣動穩定性,進氣畸變對氣動穩定性影響模型,壓氣機二維可壓縮氣動穩定性分析模型,
氣動穩定性
航空發動機的氣動穩定性是指氣體動力學出發，不考慮發動機結構強度等因素，發動機的工作狀態相對於干擾的保持能力。若在干擾作用下，發動機沒有發生旋轉失速或喘振等氣動失穩現象，且當干擾消失後，發動機能夠逐漸恢復至原有狀態，則稱發動機在該狀態下是氣動穩定的;若在干擾作用下，發動機產生了氣動失穩現象，且當擾動消失後，發動機不能恢復至原有狀態，則稱發動機在該狀態下是氣動不穩定的。
現有的理論和試驗研究結果以及發動機使用過程中發生的事故均表明，當發動機進入旋轉失速或喘振等不穩定工作狀態時，會造成以下危害：
（1）降低發動機的性能指標(如推力的減小和耗油率的升高)；
（2）引起壓縮部件的轉子葉片產生強迫振動，增大振動應力；
（3）增大渦輪的熱負荷和熱應力；
（4）縮小燃燒室的穩定工作範圍；
（5）破壞發動機結構的完整性，嚴重威脅飛行安全。
因此，在飛機飛行過程中，絕不允許發動機在不穩定狀態下工作，保證發動機的氣動穩定性已成為保障飛行安全的硬性要求。而在航空發動機的發展早期，研究人員主要重視其性能指標的好壞，片面追求高推力與低耗油率，而對保證發動機的氣動穩定性卻未給予足夠的重視，沒有開展針對性的研究。隨著航空技術的發展，飛機的飛行速度和高度在不斷增加，對飛機的機動性需求也越來越高，再加上飛彈武器的使用等，發動機在使用過程中暴露出來的氣動失穩現象越來越多，對發動機造成的危害也越來越嚴重。
進氣畸變對氣動穩定性影響模型
作為影響發動機氣動穩定性的主要因素之一，進氣畸變始終受到發動機設計者和研究人員的重點關注。進氣畸變的試驗裝置複雜，需要分析的狀態多，且在試驗過程中會有引起發動機結構破壞的風險，因此包括地面或高空台試驗設施不能進行的畸變試驗，都需要利用數值計算方法分析解其影響。
隨著計算技術的發展，三維的激盤/半激盤模型、三維徹體力模型已成為重要的研究方向，但尚只能套用於風扇/壓氣機部件的研究中。基於平行壓氣機模型，通過對壓氣機級失穩的判別來研究進氣畸變對發動機整機氣動穩定性的影響，仍是目前研究的主要方向。
嚴偉等為了預估變循環發動機氣動穩定性對周向進氣畸變的回響，建立了進氣畸變對變循環發動機氣動穩定性影響分析模型。採用帶源項的二維非定常歐拉方程描述變循環發動機內部的流動，根據部件特性計算源項，採用時間推進法求解方程組。利用該模型分析了周向進氣畸變沿某變循環發動機流路的傳遞和該發動機的臨界畸變指數，計算結果表明：該模型實現了對進氣畸變影響變循環發動機氣動穩定性的仿真；進氣畸變經過核心機驅動風扇級後有顯著的衰減；核心機驅動風扇級對進氣畸變非常敏感，易發生失穩，是變循環發動機抗畸變的薄弱點。
壓氣機二維可壓縮氣動穩定性分析模型
對於目前廣泛採用雙軸或多軸結構的航空發動機，存在的一個主要問題就是高、低壓壓氣機之間的相互影響,尤其是對各自穩定邊界或喘振裕度的影響。在高、低壓壓氣機相互影響中，低壓壓氣機出口非均勻壓力波動對高壓壓氣機穩定性的影響是一個非常重要，非常突出的問題。採用實驗的方法研究此類問題難度較大，成本也過於昂貴。而數值計算是一種簡單、快速、成本低的有效分析手段，發展一種合理的可用於分析旋轉進氣畸變對壓氣機氣動穩定性影響的模型是當前需要解決的問題。
現有的研究表明，壓氣機進入旋轉失速前流場中會出現兩種不同形式的擾動:模態波擾動和尖脈衝擾動.因此要合理地模擬壓氣機的失速起始過程，分析模型必須具備模擬模態波擾動和尖脈衝擾動的特點。但是原有的Moore-Greitzer模型無法模擬出第二種擾動的失速起始特徵。
張環等基於Moore}reitzer理論，建立了可計算進氣畸變下動態失速過程的二維不可壓縮數學模型。雖然該模型能夠很好地反映壓縮系統失速流態的基本特徵，用於壓縮系統失速特性的定量分析，以及進氣畸變尤其是旋轉進氣畸變對壓縮系統穩定邊界影響的計算分析。但是，在該模型中壓氣機被模化為單一“激盤”，而且壓氣機上、下游管道以及壓氣機內部的流動被假設為不可壓縮流動。此外，該模型無法預測出關於總壓畸變旋轉頻率對於壓氣機穩定邊界的影響存在雙峰值的結果。對於目前普遍關注的多級高速軸流壓氣機，必須考慮氣流可壓縮性和各葉排之間相互干擾的影響。可是，至今有關壓氣機失速特性可壓縮模化工作做的還很少。基於上述原因，王志強發展了一個用於分析多級軸流壓氣機動態失速特性的多“激盤”可壓縮模型。重點分析了多級軸流壓氣機中二維小尺度旋轉失速的起始特性和動一靜葉之間的相互影響，以及總壓畸變旋轉頻率對下游壓氣機穩定性的影響。所得結果表明，本模型可有效地用於此類問題的分析，有關計算和實驗結果的比較驗證了本模型及其計算結果是可靠的。
