航空宇航推进理论与工程
2022, 54(5):771-788.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.05.004
摘要:
航空发动机和燃气轮机在海洋环境下服役时，热端部件承受高温、高压、高转速机械载荷和高盐雾、高湿度等腐蚀环境耦合作用，常发生热腐蚀-疲劳失效，影响结构完整性、安全性和可靠性。本文针对航空发动机和燃气轮机热端部件热腐蚀-疲劳失效问题，总结和分析了涡轮盘、涡轮叶片高温合金及涂层热腐蚀机理，涡轮盘、涡轮叶片高温合金热腐蚀-疲劳失效机理以及热腐蚀-疲劳寿命预测模型和寿命评估方法，并对航空发动机和燃气轮机热端部件热腐蚀-疲劳试验研究和寿命评估方法的发展趋势进行了展望，以期促进燃气-海洋环境耦合作用下热端部件结构完整性评定方法的发展。
航空发动机和燃气轮机在海洋环境下服役时，热端部件承受高温、高压、高转速机械载荷和高盐雾、高湿度等腐蚀环境耦合作用，常发生热腐蚀-疲劳失效，影响结构完整性、安全性和可靠性。本文针对航空发动机和燃气轮机热端部件热腐蚀-疲劳失效问题，总结和分析了涡轮盘、涡轮叶片高温合金及涂层热腐蚀机理，涡轮盘、涡轮叶片高温合金热腐蚀-疲劳失效机理以及热腐蚀-疲劳寿命预测模型和寿命评估方法，并对航空发动机和燃气轮机热端部件热腐蚀-疲劳试验研究和寿命评估方法的发展趋势进行了展望，以期促进燃气-海洋环境耦合作用下热端部件结构完整性评定方法的发展。
2022, 54(2):290-296.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.02.015
摘要:
通过搭建液氮喷雾冷却实验台，研究了TG6.5型实心锥喷嘴的喷雾冷却特性，分析了临界点附近的过热度和热流密度以及过热度和换热系数的关系，讨论了喷雾面积和喷雾流量对换热效果的影响。结果表明：在换热过程中，随着热流密度的增加，过热度变化可以分为缓慢增加、明显增加和急剧增加3个阶段，并且区间的分布和换热面积的大小关系密切。受核态沸腾过程中气泡的影响，出现最大换热系数时的过热度要小于达到临界热流密度时的过热度。增加喷雾流量能显著提高换热效果；增大热沉面积会降低单位面积内液滴颗粒冲击的频次和强度，换热效果下降。
通过搭建液氮喷雾冷却实验台，研究了TG6.5型实心锥喷嘴的喷雾冷却特性，分析了临界点附近的过热度和热流密度以及过热度和换热系数的关系，讨论了喷雾面积和喷雾流量对换热效果的影响。结果表明：在换热过程中，随着热流密度的增加，过热度变化可以分为缓慢增加、明显增加和急剧增加3个阶段，并且区间的分布和换热面积的大小关系密切。受核态沸腾过程中气泡的影响，出现最大换热系数时的过热度要小于达到临界热流密度时的过热度。增加喷雾流量能显著提高换热效果；增大热沉面积会降低单位面积内液滴颗粒冲击的频次和强度，换热效果下降。
2022, 54(4):644-653.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.04.011
摘要:
回流燃烧室与直流燃烧室不同，结构复杂，为了研究回流燃烧室内的流动以及燃烧特性，采用粒子图像测速仪（Particle image velocimetry，PIV）测量对其冷态流场开展研究，通过火焰自发辐射手段得到了燃烧室火焰结构以及火焰传播过程。研究结果表明：回流燃烧室流场不具有对称性，内外壁面速度分布不相同，压损的改变对燃烧室流场结构影响较小，随着压损的增加，速度值增加。燃烧主要在主燃区和中间区进行，火焰呈一定的“月牙”形向外燃烧。燃烧室点火过程可分为火核生成阶段、火核发展阶段、点火成功阶段和火焰稳定阶段4个阶段，回流涡着火是成功点火的关键。熄火时，火核向回流区后部靠近，火焰根部逐渐远离旋流器出口位置，火焰从正常燃烧时的月牙形结构演变为单股火焰。
回流燃烧室与直流燃烧室不同，结构复杂，为了研究回流燃烧室内的流动以及燃烧特性，采用粒子图像测速仪（Particle image velocimetry，PIV）测量对其冷态流场开展研究，通过火焰自发辐射手段得到了燃烧室火焰结构以及火焰传播过程。研究结果表明：回流燃烧室流场不具有对称性，内外壁面速度分布不相同，压损的改变对燃烧室流场结构影响较小，随着压损的增加，速度值增加。燃烧主要在主燃区和中间区进行，火焰呈一定的“月牙”形向外燃烧。燃烧室点火过程可分为火核生成阶段、火核发展阶段、点火成功阶段和火焰稳定阶段4个阶段，回流涡着火是成功点火的关键。熄火时，火核向回流区后部靠近，火焰根部逐渐远离旋流器出口位置，火焰从正常燃烧时的月牙形结构演变为单股火焰。
2022, 54(4):654-661.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.04.012
摘要:
为提高某型空气涡轮起动机的性能，采用数值仿真和试验相结合的方法，开展了某型空气涡轮起动机气动性能和流场仿真的研究，并完成了优化设计。数值仿真结果表明，进气弯管内侧存在明显的流动分离，导致下游流场均匀性恶化，导向器叶片和转子叶片表面均存在一定的附面层分离，排气框架未充分考虑流动的顺畅性，最终造成空气涡轮起动机性能偏低。数值仿真和试验结果的对比表明，数值仿真获得的空气流量比试验低1.90%左右，涡轮功率高1.04%左右。数值仿真和试验符合较好，采用这种数值仿真方法研究空气涡轮起动机具有较高的准确性，对导向器叶片进行了优化设计，显著提升了空气涡轮的性能，优化后功率比原型增加了14.2%。
为提高某型空气涡轮起动机的性能，采用数值仿真和试验相结合的方法，开展了某型空气涡轮起动机气动性能和流场仿真的研究，并完成了优化设计。数值仿真结果表明，进气弯管内侧存在明显的流动分离，导致下游流场均匀性恶化，导向器叶片和转子叶片表面均存在一定的附面层分离，排气框架未充分考虑流动的顺畅性，最终造成空气涡轮起动机性能偏低。数值仿真和试验结果的对比表明，数值仿真获得的空气流量比试验低1.90%左右，涡轮功率高1.04%左右。数值仿真和试验符合较好，采用这种数值仿真方法研究空气涡轮起动机具有较高的准确性，对导向器叶片进行了优化设计，显著提升了空气涡轮的性能，优化后功率比原型增加了14.2%。
2022, 54(4):662-669.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.04.013
摘要:
为研究叶片稠度对压气机最大有效静压升的影响，针对某单级低速压气机，通过改变转静子叶片数，构建了不同叶片稠度的压气机模型，采用三维数值模拟的方法，获得了不同稠度情况下的压气机特性。计算结果表明，静子叶片数的增加能够抑制附面层分离，拓宽压气机稳定工作范围，压气机近失速点的压比增大，压气机的最大压升能力增强，其最大有效静压升增大；转子叶片数的增加能够抑制气流分离，减小流动损失，从而使得近失速工况下压气机效率和压比增大，压气机近失速点压升能力增强，其最大有效静压升增大。通过对叶片数不同时各压气机的最大有效静压升系数与Koch最大有效静压升预测曲线的对比，从数值模拟的角度验证了以最大有效静压升作为压气机稳定性判据的有效性。
为研究叶片稠度对压气机最大有效静压升的影响，针对某单级低速压气机，通过改变转静子叶片数，构建了不同叶片稠度的压气机模型，采用三维数值模拟的方法，获得了不同稠度情况下的压气机特性。计算结果表明，静子叶片数的增加能够抑制附面层分离，拓宽压气机稳定工作范围，压气机近失速点的压比增大，压气机的最大压升能力增强，其最大有效静压升增大；转子叶片数的增加能够抑制气流分离，减小流动损失，从而使得近失速工况下压气机效率和压比增大，压气机近失速点压升能力增强，其最大有效静压升增大。通过对叶片数不同时各压气机的最大有效静压升系数与Koch最大有效静压升预测曲线的对比，从数值模拟的角度验证了以最大有效静压升作为压气机稳定性判据的有效性。
2022, 54(4):552-563.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.04.002
摘要:
为了探究跨声速飞行工况下混合并联涡轮基组合循环（Turbo based combine cycle，TBCC）动力的冲压流道在冷通气状态下的流动及阻力特性，构建了一个巡航马赫数为4.0、基于混合并联TBCC动力的高马赫数飞机模型，通过三维定常数值模拟方法研究了其在Ma∞=0.7~1.6，H∞=11 km飞行环境下飞机-发动机内/外流动及其耦合特征。计算结果表明：跨声速状态下，冲压进气道入口处气流增压后的静压达到了自由来流滞止压力的85%~90%，气流接近于滞止状态，说明组合进气道存在强烈的节流效应，且冲压通道的喉道是组合进气道节流效应的主要贡献者；冲压发动机尾喷管的排气流动同时受到飞机绕流及涡轮通道排气系统等多方面的干扰，且涡轮通道排气射流对冲压发动机尾喷管气流本身就存在膨胀压缩及排气引射等多种干扰机制。阻力分析表明，压差阻力系数高出内表面摩擦阻力系数2个数量级，是跨声速状态下冲压流道阻力的主要来源；亚声速状态下，进气道阻力占比达到了60%~80%，是冲压流道的主要阻力部件，而Ma∞> 1.0 ![]()
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为了探究跨声速飞行工况下混合并联涡轮基组合循环（Turbo based combine cycle，TBCC）动力的冲压流道在冷通气状态下的流动及阻力特性，构建了一个巡航马赫数为4.0、基于混合并联TBCC动力的高马赫数飞机模型，通过三维定常数值模拟方法研究了其在Ma∞=0.7~1.6，H∞=11 km飞行环境下飞机-发动机内/外流动及其耦合特征。计算结果表明：跨声速状态下，冲压进气道入口处气流增压后的静压达到了自由来流滞止压力的85%~90%，气流接近于滞止状态，说明组合进气道存在强烈的节流效应，且冲压通道的喉道是组合进气道节流效应的主要贡献者；冲压发动机尾喷管的排气流动同时受到飞机绕流及涡轮通道排气系统等多方面的干扰，且涡轮通道排气射流对冲压发动机尾喷管气流本身就存在膨胀压缩及排气引射等多种干扰机制。阻力分析表明，压差阻力系数高出内表面摩擦阻力系数2个数量级，是跨声速状态下冲压流道阻力的主要来源；亚声速状态下，进气道阻力占比达到了60%~80%，是冲压流道的主要阻力部件，而Ma∞
2022, 54(4):592-598.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.04.006
摘要:
首先对比了天上飞行状态与地面风洞状态下钝锥边界层的转捩特性，然后利用基于线性稳定性理论的eN方法对飞行状态与风洞状态下的钝锥边界层进行了转捩预示，最后研究了壁温比对高速钝锥边界层的稳定性及转捩的影响。研究结果表明，在低壁温比条件下，圆锥迎风中心与侧面的边界层先于两者之间区域转捩，转捩形貌与飞行实验结果相似；在高壁温比条件下，圆锥迎风面区域迟于侧面及背风面区域转捩，转捩形貌与风洞试验结果相似。壁温比是造成高速钝锥边界层转捩天地差异的重要影响因素。
首先对比了天上飞行状态与地面风洞状态下钝锥边界层的转捩特性，然后利用基于线性稳定性理论的eN方法对飞行状态与风洞状态下的钝锥边界层进行了转捩预示，最后研究了壁温比对高速钝锥边界层的稳定性及转捩的影响。研究结果表明，在低壁温比条件下，圆锥迎风中心与侧面的边界层先于两者之间区域转捩，转捩形貌与飞行实验结果相似；在高壁温比条件下，圆锥迎风面区域迟于侧面及背风面区域转捩，转捩形貌与风洞试验结果相似。壁温比是造成高速钝锥边界层转捩天地差异的重要影响因素。
2022, 54(6):1092-1099.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.06.011
摘要:
为了研究热气防冰传感器的测温特性，对一种航空发动机热气防冰传感器开展了冰风洞试验研究，获得了传感器测温特性随来流总温、热气流量、热气温度及水滴参数的变化结果。试验结果表明，热气参数对传感器的测温特性影响较大，随着热气温度和流量的升高，传感器测量偏差度增大；传感器使用环境受航空发动机工作状态的影响，在一定条件内，传感器测量偏差度在合理范围内波动；热气防冰传感器在过冷水滴结冰环境下存在结冰现象，结冰会影响传感器测温腔入口气流，导致传感器测温偏差增大，降低传感器测温性能；当结冰量过多时，传感器失真失效。
为了研究热气防冰传感器的测温特性，对一种航空发动机热气防冰传感器开展了冰风洞试验研究，获得了传感器测温特性随来流总温、热气流量、热气温度及水滴参数的变化结果。试验结果表明，热气参数对传感器的测温特性影响较大，随着热气温度和流量的升高，传感器测量偏差度增大；传感器使用环境受航空发动机工作状态的影响，在一定条件内，传感器测量偏差度在合理范围内波动；热气防冰传感器在过冷水滴结冰环境下存在结冰现象，结冰会影响传感器测温腔入口气流，导致传感器测温偏差增大，降低传感器测温性能；当结冰量过多时，传感器失真失效。
2022, 54(S):94-99.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.S.015
摘要:
为了减小空气涡轮火箭（Air turbo rocket， ATR）发动机工作时的振动响应，针对ATR发动机的转子结构特征，建立了有限元模型，设计了挤压油膜阻尼器，并完成了动力学特性分析与试验验证。研究结果表明：该型ATR转子在一阶振型时的主要应变能集中在1号轴承处，二阶振型时的主要应变能集中在2号轴承处；转子在一号轴承处设计挤压油膜阻尼器后，能够明显减小一阶响应，但对于二阶响应的减振程度有限；在ATR转子上合理地设计应用挤压油膜阻尼器，对于抑制转子的振动响应具有显著的作用，能够使得ATR发动机转子平稳地增速到工作转速。
为了减小空气涡轮火箭（Air turbo rocket， ATR）发动机工作时的振动响应，针对ATR发动机的转子结构特征，建立了有限元模型，设计了挤压油膜阻尼器，并完成了动力学特性分析与试验验证。研究结果表明：该型ATR转子在一阶振型时的主要应变能集中在1号轴承处，二阶振型时的主要应变能集中在2号轴承处；转子在一号轴承处设计挤压油膜阻尼器后，能够明显减小一阶响应，但对于二阶响应的减振程度有限；在ATR转子上合理地设计应用挤压油膜阻尼器，对于抑制转子的振动响应具有显著的作用，能够使得ATR发动机转子平稳地增速到工作转速。
2022, 54(4):623-634.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2022.04.009
摘要:
针对核动力舰艇航行时可能发生的摇摆运动情况，本文采用数值模拟方法探究海洋摇摆运动条件下超临界水冷堆（Supercritical-water-cooled reactor， SCWR）堆芯冷却通道内超临界水湍流流动与传热特性，揭示海洋摇摆运动对通道内瞬时及时均换热性能的影响。研究表明：在摇摆条件下通道内超临界水横流强度大幅增强，流体质量流量、压降损失、瞬时换热系数、燃料棒外壁面最高温度等均出现周期性波动现象，在流体温度接近拟临界温度时摇摆运动对通道内对流传热过程的影响最显著。并且，上述参数波动幅度与摇摆幅度和摇摆周期之比正相关。随通道摇摆幅度增大或摇摆周期减小，瞬时换热系数与瞬时压降波动幅度增大。总体而言，与竖直静止情形相比，在摇摆条件下通道内时均压降损失与时均换热系数均有一定程度增大，但增长幅度有限。
针对核动力舰艇航行时可能发生的摇摆运动情况，本文采用数值模拟方法探究海洋摇摆运动条件下超临界水冷堆（Supercritical-water-cooled reactor， SCWR）堆芯冷却通道内超临界水湍流流动与传热特性，揭示海洋摇摆运动对通道内瞬时及时均换热性能的影响。研究表明：在摇摆条件下通道内超临界水横流强度大幅增强，流体质量流量、压降损失、瞬时换热系数、燃料棒外壁面最高温度等均出现周期性波动现象，在流体温度接近拟临界温度时摇摆运动对通道内对流传热过程的影响最显著。并且，上述参数波动幅度与摇摆幅度和摇摆周期之比正相关。随通道摇摆幅度增大或摇摆周期减小，瞬时换热系数与瞬时压降波动幅度增大。总体而言，与竖直静止情形相比，在摇摆条件下通道内时均压降损失与时均换热系数均有一定程度增大，但增长幅度有限。
2023, 55(3):507-514.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.03.016
摘要:
碳纳米管通道内的受限水具有与体相水截然不同的物理力学性质。当纳米管直径低至约0.8 nm时，通道内水分子形成与生物水通道内类似的单链结构，并显现出极高的流速和离子排斥能力。尽管基于经验势的分子动力学模拟在揭示单链水的奇特行为方面发挥了重要作用，但其模拟结果通常依赖于水模型和壁面-水作用参数选取。本文以从头算分子动力学计算结果为数据集，通过深度神经网络训练获得描述碳纳米管内单链水的深度学习势。基于深度学习势的分子动力学模拟在势能和原子受力方面具有近似第一性原理水平的准确性但低得多的计算成本，能准确重现从头算分子动力学得到的单链水性质，包括O-H键长、H-O-H键角、取向角和密度分布等。此外，本文对比了该深度学习势与常用经典水模型所得结果的异同。本文所构建的深度学习势为以接近第一性原理的准确性进行碳纳米管内单链水体系的大尺寸、长时间模拟提供了可能。
碳纳米管通道内的受限水具有与体相水截然不同的物理力学性质。当纳米管直径低至约0.8 nm时，通道内水分子形成与生物水通道内类似的单链结构，并显现出极高的流速和离子排斥能力。尽管基于经验势的分子动力学模拟在揭示单链水的奇特行为方面发挥了重要作用，但其模拟结果通常依赖于水模型和壁面-水作用参数选取。本文以从头算分子动力学计算结果为数据集，通过深度神经网络训练获得描述碳纳米管内单链水的深度学习势。基于深度学习势的分子动力学模拟在势能和原子受力方面具有近似第一性原理水平的准确性但低得多的计算成本，能准确重现从头算分子动力学得到的单链水性质，包括O-H键长、H-O-H键角、取向角和密度分布等。此外，本文对比了该深度学习势与常用经典水模型所得结果的异同。本文所构建的深度学习势为以接近第一性原理的准确性进行碳纳米管内单链水体系的大尺寸、长时间模拟提供了可能。
2023, 55(4):606-613.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.04.005
摘要:
为了探究不同遮挡偏距比双S弯排气系统的红外特性，试验研究了遮挡偏距比为55%和100%的双S弯二元排气系统的壁面温度分布和红外辐射特性，并与相应的基准轴对称排气系统进行了对比分析。结果表明： S弯喷管壁温整体要比基准轴对称喷管高约25%，第一S弯下游的上壁面附近存在局部高温区，提高S弯喷管遮挡偏距比后，温度梯度加剧，热应力集中。与基准轴对称排气系统相比，55%和100%遮挡偏距比双S弯二元排气系统均具有突出的红外抑制效果，正尾向（α=0°）红外辐射强度分别降低77.7%和79.3%。从温度和红外辐射强度综合评价，遮挡偏距比并非全遮挡最好，遮挡偏距比从55%提高到100%后，仅能有效抑制上方探测面α=5°和10°的红外辐射，而基本不会改变尾向其他探测方向的红外辐射，在工程设计时应权衡优化损失。
为了探究不同遮挡偏距比双S弯排气系统的红外特性，试验研究了遮挡偏距比为55%和100%的双S弯二元排气系统的壁面温度分布和红外辐射特性，并与相应的基准轴对称排气系统进行了对比分析。结果表明： S弯喷管壁温整体要比基准轴对称喷管高约25%，第一S弯下游的上壁面附近存在局部高温区，提高S弯喷管遮挡偏距比后，温度梯度加剧，热应力集中。与基准轴对称排气系统相比，55%和100%遮挡偏距比双S弯二元排气系统均具有突出的红外抑制效果，正尾向（α=0°）红外辐射强度分别降低77.7%和79.3%。从温度和红外辐射强度综合评价，遮挡偏距比并非全遮挡最好，遮挡偏距比从55%提高到100%后，仅能有效抑制上方探测面α=5°和10°的红外辐射，而基本不会改变尾向其他探测方向的红外辐射，在工程设计时应权衡优化损失。
2023, 55(4):589-596.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.04.003
摘要:
为了降低旋转爆震发动机燃烧室壁面温度，设计了陶瓷基复合材料燃烧室主动冷却结构。对燃烧室主动冷却结构的传热特性进行数值模拟，获得主动冷却燃烧室壁面温度响应和温度分布规律。对燃烧室主动冷却结构进行了模型简化，将模拟旋转爆震波获得的不同壁面温度下的热流密度参数加载在冷却模型上，提高了壁面温度模拟的计算效率。结果表明：燃烧室内壁面热流密度随着壁面温度的升高而降低，扩散区的平均热流密度最大；陶瓷基复合材料燃烧室主动冷却结构可以有效降低燃烧室壁面温度，在相同冷却流量下，矩形冷却截面的冷却效果优于圆形冷却截面，可以将燃烧室壁面的温度降到1 200 K以下；燃烧室壁面最高温度在燃烧室中段区域。
为了降低旋转爆震发动机燃烧室壁面温度，设计了陶瓷基复合材料燃烧室主动冷却结构。对燃烧室主动冷却结构的传热特性进行数值模拟，获得主动冷却燃烧室壁面温度响应和温度分布规律。对燃烧室主动冷却结构进行了模型简化，将模拟旋转爆震波获得的不同壁面温度下的热流密度参数加载在冷却模型上，提高了壁面温度模拟的计算效率。结果表明：燃烧室内壁面热流密度随着壁面温度的升高而降低，扩散区的平均热流密度最大；陶瓷基复合材料燃烧室主动冷却结构可以有效降低燃烧室壁面温度，在相同冷却流量下，矩形冷却截面的冷却效果优于圆形冷却截面，可以将燃烧室壁面的温度降到1 200 K以下；燃烧室壁面最高温度在燃烧室中段区域。
2023, 55(4):597-605.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.04.004
摘要:
以涡扇发动机二元排气系统为例，以排气系统推力系数、3~5 μm波段正尾向红外辐射特征为优化目标，以窄边探测面30°和宽边探测面90°方向的红外辐射特征为约束，以喷管喉道宽高比、喉道型面半径比、收敛半角和扩张半角为优化变量，在发动机地面军用动力状态，研究排气系统推力与红外特征的多目标型面优化设计。在设计过程中，基于正交试验法确定初始样本点，建立排气系统推力系数、红外辐射特征与设计变量间的RBF代理模型，采用自适应模拟退火算法对代理模型进行分析求解。结果表明：多目标优化方法可应用在排气系统推力与红外特征的兼容设计上，并可取得一定的效果，相比基准二元模型，仅通过型面设计，多目标优化后排气系统推力系数提高了5.3%，在正尾向的无量纲积分辐射强度降低了17%。
以涡扇发动机二元排气系统为例，以排气系统推力系数、3~5 μm波段正尾向红外辐射特征为优化目标，以窄边探测面30°和宽边探测面90°方向的红外辐射特征为约束，以喷管喉道宽高比、喉道型面半径比、收敛半角和扩张半角为优化变量，在发动机地面军用动力状态，研究排气系统推力与红外特征的多目标型面优化设计。在设计过程中，基于正交试验法确定初始样本点，建立排气系统推力系数、红外辐射特征与设计变量间的RBF代理模型，采用自适应模拟退火算法对代理模型进行分析求解。结果表明：多目标优化方法可应用在排气系统推力与红外特征的兼容设计上，并可取得一定的效果，相比基准二元模型，仅通过型面设计，多目标优化后排气系统推力系数提高了5.3%，在正尾向的无量纲积分辐射强度降低了17%。
2023, 55(4):573-588.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.04.002
摘要:
介绍了涡轮榫接结构疲劳寿命评估技术的研究现状，分别从多场载荷分析、裂纹萌生寿命评估、裂纹扩展模拟和试验技术等方面探讨了现有研究的进展、不足以及发展趋势，重点论述了涡轮榫接结构使用寿命和损伤容限的评估方法。结果表明：现有的分析和试验方法能基本实现涡轮榫接的疲劳寿命评估，但由于各种局限性，工程适用性亟待提高，仍需稳健的载荷降阶分析方法、基于物理机制和数据驱动的寿命评估方法、载荷历程相关的裂纹扩展寿命评估方法和复杂热力环境下的试验技术，从而建立先进航空发动机涡轮榫接结构疲劳寿命评估及验证体系。
介绍了涡轮榫接结构疲劳寿命评估技术的研究现状，分别从多场载荷分析、裂纹萌生寿命评估、裂纹扩展模拟和试验技术等方面探讨了现有研究的进展、不足以及发展趋势，重点论述了涡轮榫接结构使用寿命和损伤容限的评估方法。结果表明：现有的分析和试验方法能基本实现涡轮榫接的疲劳寿命评估，但由于各种局限性，工程适用性亟待提高，仍需稳健的载荷降阶分析方法、基于物理机制和数据驱动的寿命评估方法、载荷历程相关的裂纹扩展寿命评估方法和复杂热力环境下的试验技术，从而建立先进航空发动机涡轮榫接结构疲劳寿命评估及验证体系。
2023, 55(4):553-572.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.04.001
摘要:
斜爆震发动机（Oblique detonation engine， ODE）采用驻定斜爆震波（Oblique detonation wave， ODW）实现高超声速气流中燃料化学能向推进系统机械能的高效转化，可大幅提升吸气式飞行速域上限，具有重要发展潜力和应用价值。本文从早、中、近期3个阶段概述ODE发展历程，总结当下斜爆震燃烧及发动机的研究现状。重点从发动机设计角度综述国内外在斜爆震燃烧组织、燃料喷注掺混以及总体性能与内流设计3方面的研究进展。深入分析了总体约束下的内外流一体化设计、高超声速气流中的燃料喷注掺混、复杂来流条件下的稳定燃烧组织、高热载荷防护以及超高速工况试验条件5大技术挑战及重点关注方向，为后续深入技术攻关及应用提供参考。
斜爆震发动机（Oblique detonation engine， ODE）采用驻定斜爆震波（Oblique detonation wave， ODW）实现高超声速气流中燃料化学能向推进系统机械能的高效转化，可大幅提升吸气式飞行速域上限，具有重要发展潜力和应用价值。本文从早、中、近期3个阶段概述ODE发展历程，总结当下斜爆震燃烧及发动机的研究现状。重点从发动机设计角度综述国内外在斜爆震燃烧组织、燃料喷注掺混以及总体性能与内流设计3方面的研究进展。深入分析了总体约束下的内外流一体化设计、高超声速气流中的燃料喷注掺混、复杂来流条件下的稳定燃烧组织、高热载荷防护以及超高速工况试验条件5大技术挑战及重点关注方向，为后续深入技术攻关及应用提供参考。
2023, 55(5):827-838.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.05.009
摘要:
随着高超声速飞行器不断朝着高马赫、宽速域方向发展，推进系统面临低动压的工作条件，对燃烧室内的流动掺混带来巨大挑战。针对碳氢燃料超燃冲压发动机燃烧室，本文研究了碳氢燃料预加热对超声速剪切掺混特性的影响机制，分析了温度与碳氢燃料热裂解对掺混特性的影响规律。研究发现，当碳氢燃料未发生热裂解反应时，燃料预加热会使射流黏性耗散增强从而掺混效率降低，燃料温度从750 K增加到900 K时，燃烧室掺混效率降低约5%、总压损失约增加20%；但燃料热裂解反应对剪切掺混有双重影响，裂解后的碳氢燃料膨胀性能提升，使喷嘴附近的掺混效率提高约18%；由于剪切层内流体湍动能下降，在远离喷嘴的位置掺混效率降低约6%。
随着高超声速飞行器不断朝着高马赫、宽速域方向发展，推进系统面临低动压的工作条件，对燃烧室内的流动掺混带来巨大挑战。针对碳氢燃料超燃冲压发动机燃烧室，本文研究了碳氢燃料预加热对超声速剪切掺混特性的影响机制，分析了温度与碳氢燃料热裂解对掺混特性的影响规律。研究发现，当碳氢燃料未发生热裂解反应时，燃料预加热会使射流黏性耗散增强从而掺混效率降低，燃料温度从750 K增加到900 K时，燃烧室掺混效率降低约5%、总压损失约增加20%；但燃料热裂解反应对剪切掺混有双重影响，裂解后的碳氢燃料膨胀性能提升，使喷嘴附近的掺混效率提高约18%；由于剪切层内流体湍动能下降，在远离喷嘴的位置掺混效率降低约6%。
2023, 55(2):226-232.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.02.007
摘要:
为改善某型空气涡轮起动机的性能，并使其与辅助动力装置的引气特性匹配，采用数值仿真和试验相结合的方法，开展了某型空气涡轮起动机气动性能和流场细节的研究，并完成了导向器和涡轮级叶型优化设计，改型后涡轮流量增大了23.2%，效率提升了3.4%，功率增加了18.0%。数值仿真和试验结果的对比表明，流量整体差别较小，波动范围在±3%以内，均值为0.17%；功率差别最大为2.38%，最小为0.1%，符合性较好。数值仿真结果表明，空气涡轮起动机改型后与辅助动力装置的引气特性线存在共同工作点，实现了两者的匹配工作，改善了辅助动力装置的工作状况。
为改善某型空气涡轮起动机的性能，并使其与辅助动力装置的引气特性匹配，采用数值仿真和试验相结合的方法，开展了某型空气涡轮起动机气动性能和流场细节的研究，并完成了导向器和涡轮级叶型优化设计，改型后涡轮流量增大了23.2%，效率提升了3.4%，功率增加了18.0%。数值仿真和试验结果的对比表明，流量整体差别较小，波动范围在±3%以内，均值为0.17%；功率差别最大为2.38%，最小为0.1%，符合性较好。数值仿真结果表明，空气涡轮起动机改型后与辅助动力装置的引气特性线存在共同工作点，实现了两者的匹配工作，改善了辅助动力装置的工作状况。
2023, 55(4):622-633.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.04.007
摘要:
航空发动机在运行过程中，由于其结构的复杂性和外部气流的不稳定性，不可避免地会产生大量的振动问题。针对航空发动机整机振动问题，首先根据航空发动机的实际结构并结合经验总结，建立了一种通用的转子-支承-机匣振动传递动力学模型，并从航空发动机内外机匣减振控制问题出发，利用一种新型的控制算法（几何设计法），在有限频域内来设计减振控制器，在传感器和执行机构受限的情况下，尝试对多个输出量（即航空发动机的内机匣和外机匣）进行减振控制，并与经典控制理论法比例、微分、积分（Proportional integral derivative，PID）设计的减振控制器进行减振效果对比，最后通过Matlab/Simulink搭建仿真模型并进行仿真验证。结果表明，几何设计法在有限频域内可以直观地获得最优控制器的存在性、唯一性、最优性，对于主控对象的减振控制最优可高达25 dB，相较于传统控制方法形成明显优势。
航空发动机在运行过程中，由于其结构的复杂性和外部气流的不稳定性，不可避免地会产生大量的振动问题。针对航空发动机整机振动问题，首先根据航空发动机的实际结构并结合经验总结，建立了一种通用的转子-支承-机匣振动传递动力学模型，并从航空发动机内外机匣减振控制问题出发，利用一种新型的控制算法（几何设计法），在有限频域内来设计减振控制器，在传感器和执行机构受限的情况下，尝试对多个输出量（即航空发动机的内机匣和外机匣）进行减振控制，并与经典控制理论法比例、微分、积分（Proportional integral derivative，PID）设计的减振控制器进行减振效果对比，最后通过Matlab/Simulink搭建仿真模型并进行仿真验证。结果表明，几何设计法在有限频域内可以直观地获得最优控制器的存在性、唯一性、最优性，对于主控对象的减振控制最优可高达25 dB，相较于传统控制方法形成明显优势。
2023, 55(4):651-657.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.04.010
摘要:
建立了变循环发动机整机模型并对可变几何低压涡轮特性进行修正，研究了低压涡轮导叶开度从-6°~6°时对各部件以及发动机整体性能的影响。结果表明：随低压涡轮导向器角度变大，低压涡轮进口折合流量增大，不论低压涡轮导向器开大或关小，高、低涡轮效率均下降；随导叶开度增大，高压涡轮膨胀比增大，高压轴功率增大，高压压气机（High pressure compressor，HPC）与核心机驱动风扇级（Core driven fan stage，CDFS）压比增大；双外涵模式下涡轮导叶角度为0°时单位推力最大，单外涵模式下涡轮角度为-1°时单位推力最大。
建立了变循环发动机整机模型并对可变几何低压涡轮特性进行修正，研究了低压涡轮导叶开度从-6°~6°时对各部件以及发动机整体性能的影响。结果表明：随低压涡轮导向器角度变大，低压涡轮进口折合流量增大，不论低压涡轮导向器开大或关小，高、低涡轮效率均下降；随导叶开度增大，高压涡轮膨胀比增大，高压轴功率增大，高压压气机（High pressure compressor，HPC）与核心机驱动风扇级（Core driven fan stage，CDFS）压比增大；双外涵模式下涡轮导叶角度为0°时单位推力最大，单外涵模式下涡轮角度为-1°时单位推力最大。
2023, 55(4):614-621.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.04.006
摘要:
为了研究不同当量比下燃烧室出口压力和温度等特性，利用多孔喷注的旋转爆震燃烧室模型，以乙炔为燃料，空气为氧化剂，对压力和温度分布均匀性、增压比以及喷射压力比等指标进行了分析。研究结果表明，保持质量流率不变，随着当量比的增大，燃烧室内燃烧工况从贫燃逐渐变为富燃，出口压力及温度的均匀性会先变好后变差，增压比先增大后减小。当量比为1时，燃烧室内为双波传播状态，出口压力和温度均匀性最好，此时CV值最小为0.57，1-CU值最小为0.52，畸变指数最小为2.936，OTDF值最小为0.36，增压比最大为1.13，但当量比对燃烧室增压比的提升效果有限。
为了研究不同当量比下燃烧室出口压力和温度等特性，利用多孔喷注的旋转爆震燃烧室模型，以乙炔为燃料，空气为氧化剂，对压力和温度分布均匀性、增压比以及喷射压力比等指标进行了分析。研究结果表明，保持质量流率不变，随着当量比的增大，燃烧室内燃烧工况从贫燃逐渐变为富燃，出口压力及温度的均匀性会先变好后变差，增压比先增大后减小。当量比为1时，燃烧室内为双波传播状态，出口压力和温度均匀性最好，此时CV值最小为0.57，1-CU值最小为0.52，畸变指数最小为2.936，OTDF值最小为0.36，增压比最大为1.13，但当量比对燃烧室增压比的提升效果有限。
2023, 55(4):643-650.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2023.04.009
摘要:
基于研究鸟撞现象对压气机气动性能影响的目的，进行单级压气机的气动设计，分析了主要设计参数，并以此为基础，以原型转子叶片为模型进行鸟撞模拟，建立鸟撞损伤叶片模型。在周向上改变损伤叶片的数量生成不同的计算模型，进行全环的数值模拟，考察不同受损叶片数目对压气机气动性能的影响，分析流场细节，总结受损转子气动特性的变化规律。计算结果表明：受损叶片数量分别为1、2、3的压气机转子在设计转速下，气动性能和稳定性都有明显的下降，主要表现为最大效率工况的效率分别减小了1.37%、2.55%、3.57%，压比分别减小了0.19%、0.29%、0.40%，稳定工作的流量范围减小，稳定裕度分别相对减小了14.33%、25.69%、31.97%。
基于研究鸟撞现象对压气机气动性能影响的目的，进行单级压气机的气动设计，分析了主要设计参数，并以此为基础，以原型转子叶片为模型进行鸟撞模拟，建立鸟撞损伤叶片模型。在周向上改变损伤叶片的数量生成不同的计算模型，进行全环的数值模拟，考察不同受损叶片数目对压气机气动性能的影响，分析流场细节，总结受损转子气动特性的变化规律。计算结果表明：受损叶片数量分别为1、2、3的压气机转子在设计转速下，气动性能和稳定性都有明显的下降，主要表现为最大效率工况的效率分别减小了1.37%、2.55%、3.57%，压比分别减小了0.19%、0.29%、0.40%，稳定工作的流量范围减小，稳定裕度分别相对减小了14.33%、25.69%、31.97%。
2024, 56(4):668-676.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2024.04.009
摘要:
针对航空发动机滑油箱油量测量值易受多个参数影响导致滑油消耗率难以计算和预测的问题，提出了一种改进的滑油量数据提取规则和滑油消耗率预测方法。基于密度聚类算法（Density-based spatial clustering of applications with noise， DBSCAN）等方法对发动机数据进行了清洗，获取平稳飞行状态下滑油量数据。使用最小二乘法对滑油量进行拟合，得到了滑油消耗率，平均拟合优度达到了0.86。在此基础上，利用多层感知器（Multi-layer perception， MLP）建立了滑油消耗率与飞行状态参数之间的关系，预测结果与实际值的平均绝对百分比误差为1.15%。本文提出的方法能够满足实际工程需求，为评估航空发动机滑油系统的健康状况提供了可靠参考。
针对航空发动机滑油箱油量测量值易受多个参数影响导致滑油消耗率难以计算和预测的问题，提出了一种改进的滑油量数据提取规则和滑油消耗率预测方法。基于密度聚类算法（Density-based spatial clustering of applications with noise， DBSCAN）等方法对发动机数据进行了清洗，获取平稳飞行状态下滑油量数据。使用最小二乘法对滑油量进行拟合，得到了滑油消耗率，平均拟合优度达到了0.86。在此基础上，利用多层感知器（Multi-layer perception， MLP）建立了滑油消耗率与飞行状态参数之间的关系，预测结果与实际值的平均绝对百分比误差为1.15%。本文提出的方法能够满足实际工程需求，为评估航空发动机滑油系统的健康状况提供了可靠参考。
2024, 56(5):939-949.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2024.05.017
摘要:
外涵静子叶片是大涵道比涡扇发动机气路的核心部件之一，外涵静子脱出是一种较为严重的故障模式，此故障可能会导致飞机或其他发动机部件损伤，进而造成灾难性事故。对外涵静子叶片脱出故障的预警是一项重要的工作。但因其早期特征不明显，现有的方法较难对此类故障进行有效的预警。因此，针对该问题，基于监控数据提出一种深度特征提取的支持向量数据域描述（Support vector data description， SVDD）的故障预警方法，以实现对外涵静子叶片脱出故障的早期预警。首先，采用基于发动机气路性能辨识的建模方法，建立发动机特定性能参数的观测模型对气路参数进行深度特征提取，以真实状态量与模型观测量的差值作为航空发动机是否发生故障的特征；然后利用SVDD算法建立决策边界，实现故障数据的自动划分，决策边界生成的阈值可在故障发生之前的一定时间之内给出告警；最后，经过多次计算，结果表明，在故障早期直至故障发生的区间内，表征其健康状态的性能参数都与观测量有较大的偏移，表明了所选特征的有效性。使用数据增强方法生成故障仿真数据与真实数据进行对比验证，预警时间比故障真实发生时间预警模型平均提前3.14 h。
外涵静子叶片是大涵道比涡扇发动机气路的核心部件之一，外涵静子脱出是一种较为严重的故障模式，此故障可能会导致飞机或其他发动机部件损伤，进而造成灾难性事故。对外涵静子叶片脱出故障的预警是一项重要的工作。但因其早期特征不明显，现有的方法较难对此类故障进行有效的预警。因此，针对该问题，基于监控数据提出一种深度特征提取的支持向量数据域描述（Support vector data description， SVDD）的故障预警方法，以实现对外涵静子叶片脱出故障的早期预警。首先，采用基于发动机气路性能辨识的建模方法，建立发动机特定性能参数的观测模型对气路参数进行深度特征提取，以真实状态量与模型观测量的差值作为航空发动机是否发生故障的特征；然后利用SVDD算法建立决策边界，实现故障数据的自动划分，决策边界生成的阈值可在故障发生之前的一定时间之内给出告警；最后，经过多次计算，结果表明，在故障早期直至故障发生的区间内，表征其健康状态的性能参数都与观测量有较大的偏移，表明了所选特征的有效性。使用数据增强方法生成故障仿真数据与真实数据进行对比验证，预警时间比故障真实发生时间预警模型平均提前3.14 h。
2024, 56(4):577-596.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2024.04.001
摘要:
航空发动机控制系统是航空发动机的安全关键系统，对发动机在飞行全包线范围内安全可靠产生推力或功率至关重要。本文阐述了航空发动机控制系统的演进历程，对架构设计、控制律设计、故障诊断与状态监视设计三大系统级关键核心技术以及仿真使能技术的发展情况进行总结分析，并对工程可应用性进行探讨，最后对未来的发展方向和重点研究内容进行展望，为新一代航空发动机控制系统设计提供一定参考。
航空发动机控制系统是航空发动机的安全关键系统，对发动机在飞行全包线范围内安全可靠产生推力或功率至关重要。本文阐述了航空发动机控制系统的演进历程，对架构设计、控制律设计、故障诊断与状态监视设计三大系统级关键核心技术以及仿真使能技术的发展情况进行总结分析，并对工程可应用性进行探讨，最后对未来的发展方向和重点研究内容进行展望，为新一代航空发动机控制系统设计提供一定参考。
2024, 56(6):1036-1047.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2024.06.006
摘要:
针对强背景噪声下航空发动机气路静电信号降噪问题，提出一种基于本征模态函数（Intrinsic modal function， IMF）自适应滤波联合小波阈值的静电信号降噪方法。首先，通过互补集合经验模态分解（Complementary ensemble empirical mode decomposition， CEEMD）方法对原始静电信号进行分解，得到若干平稳IMF；然后，构建最优重构自适应低通滤波算法筛选以有用信号为主的IMF分量；再对以噪声为主的IMF分量通过小波阈值算法进行降噪处理；最后，将上述信号重构，得到降噪后的静电信号。进行了仿真和实测信号验证并与传统方法对比，结果表明，该方法对发动机气路静电信号降噪效果良好，在微弱故障信号提取方面更具优越性。
针对强背景噪声下航空发动机气路静电信号降噪问题，提出一种基于本征模态函数（Intrinsic modal function， IMF）自适应滤波联合小波阈值的静电信号降噪方法。首先，通过互补集合经验模态分解（Complementary ensemble empirical mode decomposition， CEEMD）方法对原始静电信号进行分解，得到若干平稳IMF；然后，构建最优重构自适应低通滤波算法筛选以有用信号为主的IMF分量；再对以噪声为主的IMF分量通过小波阈值算法进行降噪处理；最后，将上述信号重构，得到降噪后的静电信号。进行了仿真和实测信号验证并与传统方法对比，结果表明，该方法对发动机气路静电信号降噪效果良好，在微弱故障信号提取方面更具优越性。
2024, 56(4):650-657.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2024.04.007
摘要:
为得到适用于硝酸乙基铵（Ethylammonium nitrate， EAN）推力器燃烧数值模拟的燃烧机理，以包含EAN蒸发产物硝酸和乙胺的详细化学反应机理为基础，构建了EAN详细燃烧机理，采用生产速率（Rate of production， ROP）分析以及敏感性分析相结合的方法对详细机理进行简化，得到了包含82组分291反应的EAN燃烧骨架机理。分别使用两种机理对乙胺着火延迟时间、层流预混火焰中组分分布以及在激波管内反应过程中组分分布，硝酸在激波管内反应过程中组分分布进行了数值模拟，通过比较实验数据和模拟结果，对详细机理和骨架机理进行验证。验证结果表明：骨架机理的模拟结果与实验数据以及详细机理的模拟结果一致，表明了EAN燃烧骨架机理的准确性。得到的骨架机理为EAN推力器燃烧数值模拟提供了反应机理模型。
为得到适用于硝酸乙基铵（Ethylammonium nitrate， EAN）推力器燃烧数值模拟的燃烧机理，以包含EAN蒸发产物硝酸和乙胺的详细化学反应机理为基础，构建了EAN详细燃烧机理，采用生产速率（Rate of production， ROP）分析以及敏感性分析相结合的方法对详细机理进行简化，得到了包含82组分291反应的EAN燃烧骨架机理。分别使用两种机理对乙胺着火延迟时间、层流预混火焰中组分分布以及在激波管内反应过程中组分分布，硝酸在激波管内反应过程中组分分布进行了数值模拟，通过比较实验数据和模拟结果，对详细机理和骨架机理进行验证。验证结果表明：骨架机理的模拟结果与实验数据以及详细机理的模拟结果一致，表明了EAN燃烧骨架机理的准确性。得到的骨架机理为EAN推力器燃烧数值模拟提供了反应机理模型。
2024, 56(2):350-357.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2024.02.018
摘要:
为了实现煤油/富氧空气旋转爆震燃烧室稳定工作并探索来流总温对流场及爆震燃烧特性的影响，设计了一种液态煤油/富氧空气旋转爆震燃烧室结构，采用欧拉-拉格朗日算法开展了旋转爆震燃烧室的冷热态数值模拟。结果表明，随着来流总温的提升，在温度及停留时间的共同作用下，燃油雾化掺混效果并非是来流总温越高越好，而是在1 150 K下最优，燃油蒸发率达99.2%，掺混均匀度为50.3%。来流总温超过650 K的条件下均可以实现稳定的旋转爆震工作模式。来流总温的变化对于爆震波的传播模态有着显著的影响，来流总温越大，越有利于液态煤油/富氧空气旋转爆震燃烧室内多波模态的形成。随着爆震波波头数目的增加，单个波头的压力、波速及爆震波高度随之下降，而整体爆震波的稳定性得到了明显的提升。
为了实现煤油/富氧空气旋转爆震燃烧室稳定工作并探索来流总温对流场及爆震燃烧特性的影响，设计了一种液态煤油/富氧空气旋转爆震燃烧室结构，采用欧拉-拉格朗日算法开展了旋转爆震燃烧室的冷热态数值模拟。结果表明，随着来流总温的提升，在温度及停留时间的共同作用下，燃油雾化掺混效果并非是来流总温越高越好，而是在1 150 K下最优，燃油蒸发率达99.2%，掺混均匀度为50.3%。来流总温超过650 K的条件下均可以实现稳定的旋转爆震工作模式。来流总温的变化对于爆震波的传播模态有着显著的影响，来流总温越大，越有利于液态煤油/富氧空气旋转爆震燃烧室内多波模态的形成。随着爆震波波头数目的增加，单个波头的压力、波速及爆震波高度随之下降，而整体爆震波的稳定性得到了明显的提升。
2024, 56(4):609-621.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2024.04.003
摘要:
准确的热流预示在超/高超声速复杂流动数值模拟是一个难点问题。当计算网格中出现奇性轴时，进一步增加了准确流场模拟、热流计算的难度。本文针对奇性轴在有限差分计算中出现的流场结构不稳定、热流预测误差大等难题，在通量重构方法的基础上，结合基于守恒变量的重构方法，提出了一种采用高精度格式计算带奇性轴问题的混合算法。该算法在奇性轴附近使用基于守恒变量的重构方法，有效反映奇性轴附近流场分布对奇性轴计算的影响，能够有效解决奇性轴问题。采用该混合算法并对比应用WENO3-JS和高分辨率WENO3-PRM1,1 2 ![]()
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准确的热流预示在超/高超声速复杂流动数值模拟是一个难点问题。当计算网格中出现奇性轴时，进一步增加了准确流场模拟、热流计算的难度。本文针对奇性轴在有限差分计算中出现的流场结构不稳定、热流预测误差大等难题，在通量重构方法的基础上，结合基于守恒变量的重构方法，提出了一种采用高精度格式计算带奇性轴问题的混合算法。该算法在奇性轴附近使用基于守恒变量的重构方法，有效反映奇性轴附近流场分布对奇性轴计算的影响，能够有效解决奇性轴问题。采用该混合算法并对比应用WENO3-JS和高分辨率WENO3-PRM
2024, 56(4):622-629.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2024.04.004
摘要:
为提高涡轮级间篦齿的封严性能，设计了一种带分流通道的台阶型篦齿封严结构，研究了不同压比与转速下分流通道对篦齿封严泄漏特性和传热特性的影响规律，并与光滑篦齿进行对比。结果表明：在衬套上增设一个分流通道后，处于通道出口处的气流在离心力作用下被卷吸进通道，增强了篦齿的封严效果；分流通道的周向间隙率β越大，封严效果越佳，当周向间隙率β为3时，绝热壁面流量系数为13.47%，绝热壁面风阻温升为48.7 K；分流通道数量增加，篦齿的泄漏加剧；随着压比增加，密封泄漏量增大，分流通道可以引导核心射流回流，故泄漏量增速逐渐变缓而绝热壁面风阻温升增速加剧；当转速从3×103 r/min增加到2.1×104 r/min，气流摩擦耗散加剧，篦齿绝热壁面流量系数逐渐降低，绝热壁面风阻温升逐渐升高，分流通道对高转速下篦齿的封严效果提升显著。
为提高涡轮级间篦齿的封严性能，设计了一种带分流通道的台阶型篦齿封严结构，研究了不同压比与转速下分流通道对篦齿封严泄漏特性和传热特性的影响规律，并与光滑篦齿进行对比。结果表明：在衬套上增设一个分流通道后，处于通道出口处的气流在离心力作用下被卷吸进通道，增强了篦齿的封严效果；分流通道的周向间隙率β越大，封严效果越佳，当周向间隙率β为3时，绝热壁面流量系数为13.47%，绝热壁面风阻温升为48.7 K；分流通道数量增加，篦齿的泄漏加剧；随着压比增加，密封泄漏量增大，分流通道可以引导核心射流回流，故泄漏量增速逐渐变缓而绝热壁面风阻温升增速加剧；当转速从3×103 r/min增加到2.1×104 r/min，气流摩擦耗散加剧，篦齿绝热壁面流量系数逐渐降低，绝热壁面风阻温升逐渐升高，分流通道对高转速下篦齿的封严效果提升显著。
2024, 56(4):658-667.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2024.04.008
摘要:
针对锥形激光加工器在航空发动机热部件冷却孔加工过程中的吹渣效果，研究了射流冲击孔板附近的流场特性及其影响因素。针对同轴高压气体撞击带盲孔平板的射流结构，采用数值模拟方法，分析了不同进气压力pint（0.2~1.5 MPa）、射流间距H/De（3.6，5.6，7.6）和冲击角度α（30°，45°，60°，90°）对盲孔附近气体动力学性能的综合影响。研究结果表明，当H/De为3.6时，随进气压力的增大，盲孔附近的气体动力学性能呈现先逐步提高后剧烈下降的趋势，较好工作压力为1 MPa；当射流间距H/De达到5.6及以上时，适当地增大喷嘴压力可以提高盲孔附近气流的气动水平，但提升有限。随着冲击角度α减小，盲孔内流出质量流量逐渐增大，α为30°时较垂直射流提升约11倍，但在冲击表面上气体的剪切流动随冲击角度减小逐渐变弱。
针对锥形激光加工器在航空发动机热部件冷却孔加工过程中的吹渣效果，研究了射流冲击孔板附近的流场特性及其影响因素。针对同轴高压气体撞击带盲孔平板的射流结构，采用数值模拟方法，分析了不同进气压力pint（0.2~1.5 MPa）、射流间距H/De（3.6，5.6，7.6）和冲击角度α（30°，45°，60°，90°）对盲孔附近气体动力学性能的综合影响。研究结果表明，当H/De为3.6时，随进气压力的增大，盲孔附近的气体动力学性能呈现先逐步提高后剧烈下降的趋势，较好工作压力为1 MPa；当射流间距H/De达到5.6及以上时，适当地增大喷嘴压力可以提高盲孔附近气流的气动水平，但提升有限。随着冲击角度α减小，盲孔内流出质量流量逐渐增大，α为30°时较垂直射流提升约11倍，但在冲击表面上气体的剪切流动随冲击角度减小逐渐变弱。
2024, 56(4):639-649.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2024.04.006
摘要:
作为重要的动力学参数，刚度辨识及预测对于涡轮泵动力特性具有关键意义，为此提出一种融合注意力机制和双向长短期记忆（Bi-directional long short-term memory， BiLSTM）网络的预测模型。将动力学响应融合输入，使用LSTM神经网络有效挖掘时序相关的历史特征。再将两层LSTM网络反向叠加组成BiLSTM模型，适应动力学信息复杂、序列冗长特点，深入挖掘参数间的非线性特征。随后引入Attention层，利用注意力机制获取特征分配权重，增强关键信息。最后通过某型涡轮泵的动力学数据训练辨识模型。结果表明，对于涡轮泵刚度特性，Attention-BiLSTM模型在序列数据处理方面具有显著优势，预测平均绝对百分比误差（Mean absolute percentage error， MAPE）可达2.194 5%。而单一结构的RNN、LSTM和BiLSTM模型的预测MAPE分别为10.497 7%、5.497 3%和2.798 6%。可见该方法有效避免了复杂的动力学反问题求解，实现了非线性参数的动态识别。
作为重要的动力学参数，刚度辨识及预测对于涡轮泵动力特性具有关键意义，为此提出一种融合注意力机制和双向长短期记忆（Bi-directional long short-term memory， BiLSTM）网络的预测模型。将动力学响应融合输入，使用LSTM神经网络有效挖掘时序相关的历史特征。再将两层LSTM网络反向叠加组成BiLSTM模型，适应动力学信息复杂、序列冗长特点，深入挖掘参数间的非线性特征。随后引入Attention层，利用注意力机制获取特征分配权重，增强关键信息。最后通过某型涡轮泵的动力学数据训练辨识模型。结果表明，对于涡轮泵刚度特性，Attention-BiLSTM模型在序列数据处理方面具有显著优势，预测平均绝对百分比误差（Mean absolute percentage error， MAPE）可达2.194 5%。而单一结构的RNN、LSTM和BiLSTM模型的预测MAPE分别为10.497 7%、5.497 3%和2.798 6%。可见该方法有效避免了复杂的动力学反问题求解，实现了非线性参数的动态识别。
33 磁帆推进技术研究综述
2024, 56(4):597-608.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2024.04.002
摘要:
磁帆是一种基于太阳风等离子体的新型推进技术，它通过大尺度线圈产生磁场来偏折太阳风等离子体从而产生推力，在长周期行星际航行任务中具有重要的应用潜力。由于磁帆相比常规电推进具有更高的比冲和推功比，近几年随着木星等行星探测任务的发展，其逐渐成为行星际无工质推进技术的研究热点。本文介绍了磁帆推力的产生原理，阐述了磁帆小型化设计研究历程，总结了其数值分析和实验技术主要特点，比较了不同任务场景中磁帆的应用效果，最后提出磁帆的主要技术瓶颈及未来潜在发展方向，为我国磁帆技术研究提供参考。
磁帆是一种基于太阳风等离子体的新型推进技术，它通过大尺度线圈产生磁场来偏折太阳风等离子体从而产生推力，在长周期行星际航行任务中具有重要的应用潜力。由于磁帆相比常规电推进具有更高的比冲和推功比，近几年随着木星等行星探测任务的发展，其逐渐成为行星际无工质推进技术的研究热点。本文介绍了磁帆推力的产生原理，阐述了磁帆小型化设计研究历程，总结了其数值分析和实验技术主要特点，比较了不同任务场景中磁帆的应用效果，最后提出磁帆的主要技术瓶颈及未来潜在发展方向，为我国磁帆技术研究提供参考。
2025, 57(5):880-888.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2025.05.009
摘要:
电磁脉冲（Electromagnetic pulses，EMPs）耦合进入发动机电控单元（Electronic control unit，ECU）的主要方式是通过线束传导，大电流注入（Bulk current injection，BCI）是控制器敏感度测试的标准试验方法。为了在设计阶段对电控单元的电磁脉冲防护设计进行优化，提出了基于线束传导规律的虚拟注入方法。该方法由基于一维卷积神经网络（Convolutional neural network，CNN）的线束传导预测模型及仿真电路实现，线束传导预测模型基于一维卷积神经网络，训练模型所用数据集为BCI试验采集的注入电流信号与调理电路输入端口响应信号，仿真电路在软件Multisim中建立。选择注入电流信号输入至预测模型，得到端口的预测信号，将该信号“注入”到仿真电路输入端口，通过监测仿真电路输出端口信号分析发动机电控系统是否发生电磁敏感现象。结果表明，预测信号与实际测量信号的误差不超过5.8%，虚拟注入结果与BCI试验结果一致，并与试验中观测的敏感现象吻合。该方法可以在设计阶段快速分析电控单元各模块的电磁敏感度，为电控单元的电磁脉冲防护设计提供参考依据。
电磁脉冲（Electromagnetic pulses，EMPs）耦合进入发动机电控单元（Electronic control unit，ECU）的主要方式是通过线束传导，大电流注入（Bulk current injection，BCI）是控制器敏感度测试的标准试验方法。为了在设计阶段对电控单元的电磁脉冲防护设计进行优化，提出了基于线束传导规律的虚拟注入方法。该方法由基于一维卷积神经网络（Convolutional neural network，CNN）的线束传导预测模型及仿真电路实现，线束传导预测模型基于一维卷积神经网络，训练模型所用数据集为BCI试验采集的注入电流信号与调理电路输入端口响应信号，仿真电路在软件Multisim中建立。选择注入电流信号输入至预测模型，得到端口的预测信号，将该信号“注入”到仿真电路输入端口，通过监测仿真电路输出端口信号分析发动机电控系统是否发生电磁敏感现象。结果表明，预测信号与实际测量信号的误差不超过5.8%，虚拟注入结果与BCI试验结果一致，并与试验中观测的敏感现象吻合。该方法可以在设计阶段快速分析电控单元各模块的电磁敏感度，为电控单元的电磁脉冲防护设计提供参考依据。
2025, 57(4):713-722.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2025.04.013
摘要:
为了研究某安装倾斜喷管发动机的运载火箭对新型发射台的冲击特性，基于三维可压缩多组分输运Navier-Stokes方程、Realizable k-ε两方程湍流模型、总变差不增（Total variation diminishing，TVD）离散格式，建立了火箭燃气射流模型并用其与实验结果进行对比，验证了计算模型的准度和精度。通过数值模拟，研究不同起飞高度、不同冲击方向下射流冲击发射平台的影响，并考虑火箭漂移现象。结果表明，两台发动机羽流汇合成一道，喷管倾角导致其无法竖直通过导流孔，随着起飞高度的增加，燃气流冲击区域逐渐移动到前置设备间上表面，形成较大的热、力载荷，且漂移现象会加快该过程。随着起飞高度进一步增加，作用到台面上的载荷逐渐峰值减小但冲击区域逐渐扩大。仿真结果可为新型发射平台热防护设计以及前置设备间钢架结构强度校核提供依据。
为了研究某安装倾斜喷管发动机的运载火箭对新型发射台的冲击特性，基于三维可压缩多组分输运Navier-Stokes方程、Realizable k-ε两方程湍流模型、总变差不增（Total variation diminishing，TVD）离散格式，建立了火箭燃气射流模型并用其与实验结果进行对比，验证了计算模型的准度和精度。通过数值模拟，研究不同起飞高度、不同冲击方向下射流冲击发射平台的影响，并考虑火箭漂移现象。结果表明，两台发动机羽流汇合成一道，喷管倾角导致其无法竖直通过导流孔，随着起飞高度的增加，燃气流冲击区域逐渐移动到前置设备间上表面，形成较大的热、力载荷，且漂移现象会加快该过程。随着起飞高度进一步增加，作用到台面上的载荷逐渐峰值减小但冲击区域逐渐扩大。仿真结果可为新型发射平台热防护设计以及前置设备间钢架结构强度校核提供依据。
2025, 57(2):361-370.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2025.02.017
摘要:
航空发动机运行中可能发生超转事件，严重时会导致“非包容的高能碎片”的危害性后果。从航空发动机适航审定对超转事件的安全要求切入，分析电子式超转保护系统对新型传感器的需求。基于某型号航空涡轴发动机尾气静电监测探索性试验的实测信号开展了信号分析，分析结果显示静电传感器信号的频谱信息可以实时动态跟踪转子转速。在75、210、420、630、840和1 000 kW 6种输出轴功率工况的静电信号的频谱信息中均识别出处于170~180 Hz间的动力涡轮转速及其倍频。所得结果表明静电传感器具备在航空发动机超转监控中的应用潜力。
航空发动机运行中可能发生超转事件，严重时会导致“非包容的高能碎片”的危害性后果。从航空发动机适航审定对超转事件的安全要求切入，分析电子式超转保护系统对新型传感器的需求。基于某型号航空涡轴发动机尾气静电监测探索性试验的实测信号开展了信号分析，分析结果显示静电传感器信号的频谱信息可以实时动态跟踪转子转速。在75、210、420、630、840和1 000 kW 6种输出轴功率工况的静电信号的频谱信息中均识别出处于170~180 Hz间的动力涡轮转速及其倍频。所得结果表明静电传感器具备在航空发动机超转监控中的应用潜力。
2025, 57(4):681-692.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2025.04.010
摘要:
针对国产涡轴发动机批产过程中整机性能分散性问题，提出了一种结合制造几何参数、部件性能、整机性能3个维度的模型建立方法。首先，调研获取了200台新机重要部件制造几何参数与出厂性能参数，通过Spearman相关系数法筛选出发动机重要部件关键制造几何参数。其次，基于发动机新机出厂性能参数和部件级模型，利用部件特性修正因子对发动机部件特性图进行修正，基于粒子群优化支持向量回归（Particle swarm optimized support vector regression， PSO-SVR）方法建立了发动机重要部件关键制造几何参数与部件特性修正因子的对应关系。最后，建立发动机重要部件关键制造几何参数-部件性能-整机性能模型。验证结果表明，模型在25%额定功率状态下整机性能预测误差不超过5%，在50%、75%、95%、100%、105%额定功率状态下整机性能预测误差不超过3%。该模型能够仿真发动机重要部件关键制造几何参数对整机性能分散性的影响，可以在发动机未试车前进行整机性能预测。
针对国产涡轴发动机批产过程中整机性能分散性问题，提出了一种结合制造几何参数、部件性能、整机性能3个维度的模型建立方法。首先，调研获取了200台新机重要部件制造几何参数与出厂性能参数，通过Spearman相关系数法筛选出发动机重要部件关键制造几何参数。其次，基于发动机新机出厂性能参数和部件级模型，利用部件特性修正因子对发动机部件特性图进行修正，基于粒子群优化支持向量回归（Particle swarm optimized support vector regression， PSO-SVR）方法建立了发动机重要部件关键制造几何参数与部件特性修正因子的对应关系。最后，建立发动机重要部件关键制造几何参数-部件性能-整机性能模型。验证结果表明，模型在25%额定功率状态下整机性能预测误差不超过5%，在50%、75%、95%、100%、105%额定功率状态下整机性能预测误差不超过3%。该模型能够仿真发动机重要部件关键制造几何参数对整机性能分散性的影响，可以在发动机未试车前进行整机性能预测。
2025, 57(4):693-701.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2025.04.011
摘要:
涡轴-涡扇变循环发动机是一种新概念动力装置，其排气系统在结构上要适应模态的转换，同时要具备红外隐身能力。本文提出了一种模态可变的二元排气系统，展示了涡轴和涡扇状态下的结构特征，采用引射、中心锥气膜冷却、波瓣遮挡以及强化混合等技术手段对双模态排气系统的红外辐射特性开展数值研究。比较分析了涡扇模态下二元喷管出口宽高比和波瓣混合器扩张角、涡轴模态下旁路活门开启角度等参数对排气系统红外辐射特性的影响。涡扇模态下采用的综合抑制措施，可将尾向红外抑制性能提高60%以上；喷管出口宽高比从2增至4，尾向红外抑制效果能够进一步提升8%，但在更大的探测角度红外辐射略有增强；波瓣内扩张角的增大可以提升红外抑制性能，而波瓣外扩张角的增大对隐身不利；涡轴模态下旁路活门开启角度对红外辐射特性的影响复杂，存在最佳开启角度30°，此时的引射系数最高，红外抑制效果也最好。数值仿真证实了本文提出的双模态排气系统既具备功能性，又具备红外抑制的能力。
涡轴-涡扇变循环发动机是一种新概念动力装置，其排气系统在结构上要适应模态的转换，同时要具备红外隐身能力。本文提出了一种模态可变的二元排气系统，展示了涡轴和涡扇状态下的结构特征，采用引射、中心锥气膜冷却、波瓣遮挡以及强化混合等技术手段对双模态排气系统的红外辐射特性开展数值研究。比较分析了涡扇模态下二元喷管出口宽高比和波瓣混合器扩张角、涡轴模态下旁路活门开启角度等参数对排气系统红外辐射特性的影响。涡扇模态下采用的综合抑制措施，可将尾向红外抑制性能提高60%以上；喷管出口宽高比从2增至4，尾向红外抑制效果能够进一步提升8%，但在更大的探测角度红外辐射略有增强；波瓣内扩张角的增大可以提升红外抑制性能，而波瓣外扩张角的增大对隐身不利；涡轴模态下旁路活门开启角度对红外辐射特性的影响复杂，存在最佳开启角度30°，此时的引射系数最高，红外抑制效果也最好。数值仿真证实了本文提出的双模态排气系统既具备功能性，又具备红外抑制的能力。
2025, 57(4):670-680.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2025.04.009
摘要:
为了解决发动机状态评估中状态信息的随机性和模糊性问题，提出了一种基于组合赋权和云模型的航空发动机状态评估方法。经过原理分析、专家经验、相关性分析，对发动机构建层级化指标体系；通过层次分析法和熵权法分别确定其主客观权重，再通过线性组合赋权法确定组合权重；针对航空发动机确定评价标准等级及其区间，通过相对劣化度映射状态等级评分、云模型进行定性分析和相似度进行定量分析；以A320系列飞机上多台发动机的QAR数据进行分析验证。其中某台使用初期的发动机结果表明：发动机从最初的强离散健康状态趋于弱离散亚健康状态，对应零部件问题的逐渐显露和磨合期趋于稳定的实际情况。因此，基于组合赋权和云模型的航空发动机状态评估模型有效，为识别发动机的状态、了解发动机的长期趋势、采取预防性维修和提高飞行安全性提供有力保障。
为了解决发动机状态评估中状态信息的随机性和模糊性问题，提出了一种基于组合赋权和云模型的航空发动机状态评估方法。经过原理分析、专家经验、相关性分析，对发动机构建层级化指标体系；通过层次分析法和熵权法分别确定其主客观权重，再通过线性组合赋权法确定组合权重；针对航空发动机确定评价标准等级及其区间，通过相对劣化度映射状态等级评分、云模型进行定性分析和相似度进行定量分析；以A320系列飞机上多台发动机的QAR数据进行分析验证。其中某台使用初期的发动机结果表明：发动机从最初的强离散健康状态趋于弱离散亚健康状态，对应零部件问题的逐渐显露和磨合期趋于稳定的实际情况。因此，基于组合赋权和云模型的航空发动机状态评估模型有效，为识别发动机的状态、了解发动机的长期趋势、采取预防性维修和提高飞行安全性提供有力保障。
2025, 57(4):620-629.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2025.04.004
摘要:
针对多电飞机的推进系统和电力系统既相互关联又在一定程度上相互独立的情况，提出一种基于纳什最优分布式预测控制的多电航空发动机能量管理算法。首先提出了一种多电航空发动机能量管理系统架构，并对该系统各部分建模。其次针对该被控对象，基于纳什最优理论，提出了一种考虑交互变量的分布式预测控制算法。再次对该算法收敛性进行了分析与证明，给出了收敛性条件。最后，基于部件级模型的仿真实验表明，该能量管理架构及基于纳什最优分布式预测控制算法响应迅速，有良好的控制性能，对航空发动机施加控制时调节时间小于2 s，且能保证直流母线电压在合适范围内，能处理好变化的负载。
针对多电飞机的推进系统和电力系统既相互关联又在一定程度上相互独立的情况，提出一种基于纳什最优分布式预测控制的多电航空发动机能量管理算法。首先提出了一种多电航空发动机能量管理系统架构，并对该系统各部分建模。其次针对该被控对象，基于纳什最优理论，提出了一种考虑交互变量的分布式预测控制算法。再次对该算法收敛性进行了分析与证明，给出了收敛性条件。最后，基于部件级模型的仿真实验表明，该能量管理架构及基于纳什最优分布式预测控制算法响应迅速，有良好的控制性能，对航空发动机施加控制时调节时间小于2 s，且能保证直流母线电压在合适范围内，能处理好变化的负载。
2025, 57(2):236-242.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2025.02.003
摘要:
直升机发动机规定环控系统引气量不应超出其最大允许值，以避免发动机功率损失过大。考虑到飞行姿态变化对引气参数的影响，提出了“超临界喷嘴流量因子”的概念，并推导出相应的计算公式。试验数据显示，发动机最大引气量的实测数据与理论计算值偏差在3%以内，验证了该方法在发动机引气限流上的准确性和实用性。该方法简化了测试流程，避免了流量传感器对引气流动特性的干扰，提高了测试精度。此外，为减少引气量并消除高温引气管路对周边设备的安全隐患，结合工程实际对引气管路的保温措施进行了改进，并研究了不同引气温度、压力和流量条件下，引气管路出口和保温层外表面的温降特性。本文研究成果为引气管路设计优化，提高热效率及直升机的安全运行提供了技术参考。
直升机发动机规定环控系统引气量不应超出其最大允许值，以避免发动机功率损失过大。考虑到飞行姿态变化对引气参数的影响，提出了“超临界喷嘴流量因子”的概念，并推导出相应的计算公式。试验数据显示，发动机最大引气量的实测数据与理论计算值偏差在3%以内，验证了该方法在发动机引气限流上的准确性和实用性。该方法简化了测试流程，避免了流量传感器对引气流动特性的干扰，提高了测试精度。此外，为减少引气量并消除高温引气管路对周边设备的安全隐患，结合工程实际对引气管路的保温措施进行了改进，并研究了不同引气温度、压力和流量条件下，引气管路出口和保温层外表面的温降特性。本文研究成果为引气管路设计优化，提高热效率及直升机的安全运行提供了技术参考。
2025, 57(1):160-168.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2025.01.016
摘要:
压力信号是表征航空发动机工作性能的重要物理量。本文针对压力信号的高精度测量需求，提出了一种基于PSO-BP温度补偿算法的智能压力传感器设计方案。选取微电子机械系统（Micro-electro-mechanical system， MEMS）压阻式传感器作为信号感知端，通过模块化思想设计智能压力传感器的硬件和软件构架。针对压力传感器敏感元件因温度漂移造成的精度偏差问题，提出了一种基于PSO-BP神经网络的嵌入式温度补偿算法以提升测量精度。集成智能传感器软硬件功能，为验证智能传感器在全工况范围内的精度，进行多种压力、温度下的压力测量实验。结果表明，本文设计的智能压力传感器经补偿后满量程误差最大值为0.44%（量程范围为0~4 MPa），相比于传统插值法、多项式拟合法等温度补偿算法，精度提升至少20%，且算法单次仅耗时2 μs，具有工程应用价值。
压力信号是表征航空发动机工作性能的重要物理量。本文针对压力信号的高精度测量需求，提出了一种基于PSO-BP温度补偿算法的智能压力传感器设计方案。选取微电子机械系统（Micro-electro-mechanical system， MEMS）压阻式传感器作为信号感知端，通过模块化思想设计智能压力传感器的硬件和软件构架。针对压力传感器敏感元件因温度漂移造成的精度偏差问题，提出了一种基于PSO-BP神经网络的嵌入式温度补偿算法以提升测量精度。集成智能传感器软硬件功能，为验证智能传感器在全工况范围内的精度，进行多种压力、温度下的压力测量实验。结果表明，本文设计的智能压力传感器经补偿后满量程误差最大值为0.44%（量程范围为0~4 MPa），相比于传统插值法、多项式拟合法等温度补偿算法，精度提升至少20%，且算法单次仅耗时2 μs，具有工程应用价值。
2025, 57(4):589-600.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2025.04.001
摘要:
通过调研国内外相关微动疲劳研究文献，首先介绍了微动疲劳的概念和特点，总结了目前微动疲劳损伤机理研究的研究现状，主要包含微动图理论的发展以及微动疲劳微观机理的研究；其次，总结了目前影响微动疲劳寿命预测的主要影响因素，包括相对滑移幅值、接触压力、轴向载荷、摩擦系数、应力梯度以及温度等；最后，全面梳理目前被广泛研究和使用的微动疲劳寿命预测方法，总结了微动疲劳寿命预测的发展趋势及展望。经过梳理发现，考虑磨损-疲劳耦合损伤机制以及基于人工智能的微动疲劳寿命预测方法是目前研究的热点和未来的发展方向。
通过调研国内外相关微动疲劳研究文献，首先介绍了微动疲劳的概念和特点，总结了目前微动疲劳损伤机理研究的研究现状，主要包含微动图理论的发展以及微动疲劳微观机理的研究；其次，总结了目前影响微动疲劳寿命预测的主要影响因素，包括相对滑移幅值、接触压力、轴向载荷、摩擦系数、应力梯度以及温度等；最后，全面梳理目前被广泛研究和使用的微动疲劳寿命预测方法，总结了微动疲劳寿命预测的发展趋势及展望。经过梳理发现，考虑磨损-疲劳耦合损伤机制以及基于人工智能的微动疲劳寿命预测方法是目前研究的热点和未来的发展方向。
2025, 57(4):658-669.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2025.04.008
摘要:
气驱动涵道风扇推进系统是一种新型垂直起降动力系统，由涡扇发动机与气驱动升力风扇组成。气驱动涵道升力风扇由涡扇外涵引气驱动，实现高效增推。当前加减速控制计划未考虑到双轴加速过程中的协同加速问题，用于设计气驱动涵道风扇加速控制计划时，将导致气驱涵道风扇加速过程出现推力波动。为了实现气驱动涵道风扇与涡扇发动机双轴协同加速，提出了一种基于变量替换模型的分阶段加速过程控制计划设计方法。首先在气驱动涵道风扇推进系统仿真模型基础上建立了3种不同形式的变量替换模型，根据加速过程推进系统受到的不同状态约束分阶段开展加速控制计划设计，将控制量与状态因子置换，在每个阶段采用不同变量替换模型逆向求解控制量，得到加速过程控制计划。仿真结果表明，该方案设计的涵道风扇加速控制计划与传统变量替换法相比，实现了双转子协同加速共同达到目标转速，推力超调量降低了3.3%，调节时间缩短了1.7 s，同时避免了推力波动现象。
气驱动涵道风扇推进系统是一种新型垂直起降动力系统，由涡扇发动机与气驱动升力风扇组成。气驱动涵道升力风扇由涡扇外涵引气驱动，实现高效增推。当前加减速控制计划未考虑到双轴加速过程中的协同加速问题，用于设计气驱动涵道风扇加速控制计划时，将导致气驱涵道风扇加速过程出现推力波动。为了实现气驱动涵道风扇与涡扇发动机双轴协同加速，提出了一种基于变量替换模型的分阶段加速过程控制计划设计方法。首先在气驱动涵道风扇推进系统仿真模型基础上建立了3种不同形式的变量替换模型，根据加速过程推进系统受到的不同状态约束分阶段开展加速控制计划设计，将控制量与状态因子置换，在每个阶段采用不同变量替换模型逆向求解控制量，得到加速过程控制计划。仿真结果表明，该方案设计的涵道风扇加速控制计划与传统变量替换法相比，实现了双转子协同加速共同达到目标转速，推力超调量降低了3.3%，调节时间缩短了1.7 s，同时避免了推力波动现象。
2025, 57(4):723-731.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2025.04.014
摘要:
针对传统排气式气囊缓冲性能受限及主动控制技术复杂的问题，提出一种基于梯度材料调控的变口径多孔排气气囊，提升其缓冲性能与适应性。构建单孔、双孔及三孔排气结构仿真模型，采用显式瞬态算法求解气囊跌落冲击过程中的流固耦合作用，并通过试验验证其准确性。结果表明：优化变口径的三层参数可降低排气孔撑开时的撕裂风险，负载平台最大加速度较优化前降至14.9g，双孔与三孔气囊的峰值加速度较单孔设计分别降低32.2%和40.3%。三层变口径织物通过材料强度梯度变化实现应力分级承载，应力集中于第三层外围以及排气孔上端区域。研究结果揭示了变口径多孔结构对不同载重空投任务的适应性，为空投装备缓冲系统的轻量化设计与排气孔自适应调节提供了理论依据。
针对传统排气式气囊缓冲性能受限及主动控制技术复杂的问题，提出一种基于梯度材料调控的变口径多孔排气气囊，提升其缓冲性能与适应性。构建单孔、双孔及三孔排气结构仿真模型，采用显式瞬态算法求解气囊跌落冲击过程中的流固耦合作用，并通过试验验证其准确性。结果表明：优化变口径的三层参数可降低排气孔撑开时的撕裂风险，负载平台最大加速度较优化前降至14.9g，双孔与三孔气囊的峰值加速度较单孔设计分别降低32.2%和40.3%。三层变口径织物通过材料强度梯度变化实现应力分级承载，应力集中于第三层外围以及排气孔上端区域。研究结果揭示了变口径多孔结构对不同载重空投任务的适应性，为空投装备缓冲系统的轻量化设计与排气孔自适应调节提供了理论依据。
2025, 57(4):601-609.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2025.04.002
摘要:
系统探讨了温度对第四代粉末高温合金FGH4108低周疲劳变形机制的影响。通过在400~850 ℃温度下开展应变控制低周疲劳（Low-cycle fatigue， LCF）试验，结合扫描电镜（Scanning electron microscopy， SEM）、电子背散射衍射（Electron backscatter diffraction， EBSD）和透射电镜（Transmission electron microscopy， TEM）等表征手段，揭示了温度主导下合金从循环硬化向循环软化主导机制的演化过程。结果表明，600 ℃及以下FGH4108合金表现出显著的循环硬化趋势，700 ℃以上则发生软化，尤以850 ℃最为显著。断裂模式由穿晶逐步过渡至沿晶，变形机制亦由基体内位错累积转向位错剪切γ′相及层错、孪晶协同机制。TEM观察显示，高温下γ′相稳定性下降，局部区域出现明显的层错结构及局域γ′剪切行为。EBSD分析表明，600~850 ℃范围内晶内局部畸变整体分布稳定，表明温度对位错密度影响相对有限。研究结果有助于深入理解FGH4108合金高温疲劳行为的演化机制，为新一代粉末高温合金的服役性能评估与优化设计提供理论支撑。
系统探讨了温度对第四代粉末高温合金FGH4108低周疲劳变形机制的影响。通过在400~850 ℃温度下开展应变控制低周疲劳（Low-cycle fatigue， LCF）试验，结合扫描电镜（Scanning electron microscopy， SEM）、电子背散射衍射（Electron backscatter diffraction， EBSD）和透射电镜（Transmission electron microscopy， TEM）等表征手段，揭示了温度主导下合金从循环硬化向循环软化主导机制的演化过程。结果表明，600 ℃及以下FGH4108合金表现出显著的循环硬化趋势，700 ℃以上则发生软化，尤以850 ℃最为显著。断裂模式由穿晶逐步过渡至沿晶，变形机制亦由基体内位错累积转向位错剪切γ′相及层错、孪晶协同机制。TEM观察显示，高温下γ′相稳定性下降，局部区域出现明显的层错结构及局域γ′剪切行为。EBSD分析表明，600~850 ℃范围内晶内局部畸变整体分布稳定，表明温度对位错密度影响相对有限。研究结果有助于深入理解FGH4108合金高温疲劳行为的演化机制，为新一代粉末高温合金的服役性能评估与优化设计提供理论支撑。
2025, 57(4):702-712.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2025.04.012
摘要:
为了对分布式混合电推进系统进行性能分析及控制方法研究，建立了半涡电分布式推进（Turbo-electric distributed propulsion， TeDP）系统的动态实时模型。基于部件级建模方法搭建了涡扇发动机、涵道风扇以及电机等动态模型。采用分布式迭代的方式，设计了一种基于功率平衡的半涡电分布式推进系统的实时计算方法以提高实时性。提出了一种基于增量式模糊逻辑的能量分配策略以保证主发动机与电系统的稳定安全运行。计算结果表明：模型在主频为2.1 GHz的计算机上平均单步仿真耗时0.126 ms，初步验证了模型的实时性。所设计的能源分配策略能有效根据电池电流、荷电状态（State of charge， SOC）来调节低压轴提取功率，保证电流不超限，同时电池SOC处于健康范围。
为了对分布式混合电推进系统进行性能分析及控制方法研究，建立了半涡电分布式推进（Turbo-electric distributed propulsion， TeDP）系统的动态实时模型。基于部件级建模方法搭建了涡扇发动机、涵道风扇以及电机等动态模型。采用分布式迭代的方式，设计了一种基于功率平衡的半涡电分布式推进系统的实时计算方法以提高实时性。提出了一种基于增量式模糊逻辑的能量分配策略以保证主发动机与电系统的稳定安全运行。计算结果表明：模型在主频为2.1 GHz的计算机上平均单步仿真耗时0.126 ms，初步验证了模型的实时性。所设计的能源分配策略能有效根据电池电流、荷电状态（State of charge， SOC）来调节低压轴提取功率，保证电流不超限，同时电池SOC处于健康范围。
2025, 57(4):640-648.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2025.04.006
摘要:
为研究小Pr数液桥的浮力-热毛细对流线性稳定性，在常重力条件下（更贴合实际条件），结合两个不同的加热方式对P r = 0.011 ![]()
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为研究小Pr数液桥的浮力-热毛细对流线性稳定性，在常重力条件下（更贴合实际条件），结合两个不同的加热方式对
2025, 57(4):630-639.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2025.04.005
摘要:
针对以涡喷发动机为动力源的烟雾发生器，基于仿真软件FLUENT中的离散相模型计算了发动机高速喷流作用下的烟雾扩散特性，获得了烟雾在高速流场中质量浓度的空间分布，进一步分析了烟雾剂流量、发动机尾喷流速度和环境风速对烟雾浓度分布的影响。结果表明，在发动机尾喷流的作用范围内，烟雾呈锥状扩散，在尾喷流作用范围下游，烟雾因回流涡团而向上扩散；三级以下的环境风可以抑制烟雾向上扩散，在更远的作用距离内对近地面进行烟雾覆盖；烟雾剂喷射流量和发动机喷流流量的增大都可以提高烟雾浓度，扩大有效防护范围。研究成果可为以航空发动机为动力源的新型烟雾发生器的开发提供参考。
针对以涡喷发动机为动力源的烟雾发生器，基于仿真软件FLUENT中的离散相模型计算了发动机高速喷流作用下的烟雾扩散特性，获得了烟雾在高速流场中质量浓度的空间分布，进一步分析了烟雾剂流量、发动机尾喷流速度和环境风速对烟雾浓度分布的影响。结果表明，在发动机尾喷流的作用范围内，烟雾呈锥状扩散，在尾喷流作用范围下游，烟雾因回流涡团而向上扩散；三级以下的环境风可以抑制烟雾向上扩散，在更远的作用距离内对近地面进行烟雾覆盖；烟雾剂喷射流量和发动机喷流流量的增大都可以提高烟雾浓度，扩大有效防护范围。研究成果可为以航空发动机为动力源的新型烟雾发生器的开发提供参考。
2025, 57(4):649-657.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2025.04.007
摘要:
针对某离心压气机紧凑型通道扩压器，提出一种一体式叶片扩压器设计和优化方法。将轮毂曲线由常规扩压器的“直线-圆弧-直线”的形式，变为由Beizer曲线构造的“鼓包”形状，从而在保持较小的扩压器径向直径的条件下，减小轮毂转弯段的曲率，抑制轮毂处气流分离。同时增大前缘半径以增加转静子之间径向间距，将该扩压器叶片分为前、中、后3段进行优化参数探索，最终选取4类参数对扩压器进行优化。通过数值模拟对比得：优化后，离心压气机设计点压比增加1.84%，设计点效率提升2.5%，喘振裕度增加8.13%。
针对某离心压气机紧凑型通道扩压器，提出一种一体式叶片扩压器设计和优化方法。将轮毂曲线由常规扩压器的“直线-圆弧-直线”的形式，变为由Beizer曲线构造的“鼓包”形状，从而在保持较小的扩压器径向直径的条件下，减小轮毂转弯段的曲率，抑制轮毂处气流分离。同时增大前缘半径以增加转静子之间径向间距，将该扩压器叶片分为前、中、后3段进行优化参数探索，最终选取4类参数对扩压器进行优化。通过数值模拟对比得：优化后，离心压气机设计点压比增加1.84%，设计点效率提升2.5%，喘振裕度增加8.13%。
2025, 57(6):1242-1254.
DOI: 10.16356/j.1005-2615.2025.06.020
摘要:
为提升航空发动机整机性能仿真预测精度，以双轴混排涡扇发动机为研究对象，在整机性能仿真模型中耦合压气机级间引气和涡轮冷气修正模型，研究了不同转速下压气机级间引气修正、涡轮冷气修正以及两者耦合对发动机整机性能的影响，并评估了耦合修正对发动机节流、高度及速度特性的影响。研究结果表明：耦合压气机级间引气与涡轮冷气修正模型前后，发动机整机性能仿真结果存在明显差别；在高压转子相对转速Nhr=100%状态下，进气流量增加了3.8%，高压压气机喘振裕度提升了3.0%，燃烧室出口总温增加了4.9%，推力增加了8.4%，耗油率增加了3.2%；通过对地面节流特性、高空巡航特性和速度特性影响分析得到，耦合修正不会改变发动机特性变化趋势，耦合修正后发动机的性能整体上优于耦合修正前，并且变化幅度明显。表明在整机仿真中，详细考虑压气机级间引气和涡轮冷气修正可使仿真结果更趋真实因而提高整机性能仿真精度。
为提升航空发动机整机性能仿真预测精度，以双轴混排涡扇发动机为研究对象，在整机性能仿真模型中耦合压气机级间引气和涡轮冷气修正模型，研究了不同转速下压气机级间引气修正、涡轮冷气修正以及两者耦合对发动机整机性能的影响，并评估了耦合修正对发动机节流、高度及速度特性的影响。研究结果表明：耦合压气机级间引气与涡轮冷气修正模型前后，发动机整机性能仿真结果存在明显差别；在高压转子相对转速Nhr=100%状态下，进气流量增加了3.8%，高压压气机喘振裕度提升了3.0%，燃烧室出口总温增加了4.9%，推力增加了8.4%，耗油率增加了3.2%；通过对地面节流特性、高空巡航特性和速度特性影响分析得到，耦合修正不会改变发动机特性变化趋势，耦合修正后发动机的性能整体上优于耦合修正前，并且变化幅度明显。表明在整机仿真中，详细考虑压气机级间引气和涡轮冷气修正可使仿真结果更趋真实因而提高整机性能仿真精度。