涡扇发动机波瓣气动热力性能与结构一体化设计理论

The program which fousces on the lobed mixing exhaust system investigates the three facets of lobed mixer: (I) the core flow inlet swirl; (II) The structural strength, flutter of the lobed mixer under the joint action of aero-thermal loads; (III) the ccc. In the facet of inlet swirl, interaction mechanism between core flow inlet swirl and the vortices in the flow field of lobed mixing exhaust will be studied, and the effect of interaction between inlet swirl and the vortices on flow field, temperature distribution will be investigated. Moreover, the change of flow field, temperature distribution and performance parameters of lobed mixing exhaust system will be researched in this part. In the facet of lobe structure, the mechanism of load and deformation of lobed mixer and the influence of lobe deformation on the flow fied, temperature distribution and performance under the joint action on pneumatic load and thermal on will be investigated. The influence of load on the lobed mixer, lobe deformation, modality and flutter will also be researched in this part. The mechanism and happening condtion of aeroelasticity instability will be discovered. In the facet of the collaborative optimization theory of lobed mixer, the program will research the generation of agent models in the subsystem optimizers of aero-dynamic performance and structure. The collaborative optimization method of aero-dynamic performance and structural strength of lobed mixer is established.

本课题以航空发动机波瓣混合排气系统为研究对象，对波瓣内涵进气预旋，波瓣在气动、热力载荷联合作用下的结构强度特性，颤振问题以及波瓣混合器排气系统气动热力性能及结构一体化协同优化方法进行了研究。在进气预旋方面，本课题将研究内涵进气预旋与波瓣混合排气系统流场中各涡系结构相互作用的机理，预旋同涡系耦合作用对流场、温度场的影响，波瓣混合排气系统流场、温度场以及气动热力性能参数随进气预旋强度的变化规律。在结构方面，本课题将研究气动、热力载荷耦合作用下，波瓣混合器的受力变形机理，波瓣变形对流场、温度以及气动热力性能参数的影响，以及波瓣几何结构及厚度对波瓣受力、变形、自身模态以及振动的影响；并揭示波瓣气动弹性不稳定现象的机理以及发生条件。在波瓣协同优化理论方法，本课题研究了在气动热力性能以及结构子系统学科优化器中代理模型的构造，并在此基础上建立了波瓣混合排气系统气动热力及结构协同优化设计方法。

以航空发动机波瓣混合器结构对混合排气系统气动热力性能影响的数据库为基础，对进气预旋和波瓣变形对混合排气系统流场以及气动热力性能的影响规律展开研究。在进气预旋方面，本研究进气预旋角大小对环形混合器以及波瓣混合器流动以及性能影响展开了研究。结果表明，随着进气预旋角的增加环形混合器及波瓣混合器剪切层及流向涡的扭曲程度逐渐加大，流动损失逐渐提高，推力损失逐渐增大。在纵向对比方面，由于波瓣混合器的平行侧壁具有一定的流动引导和消旋作用，波瓣混合排气系统中，气体推力的损失小于环形混合器混合排气系统。气动弹性方面，波瓣中心位置的平行侧壁在大温度梯度以及高压力梯度的联合作用下会向波谷方向拱起，且变形随波瓣高度的增加不断增大。在混合排气系统设计方面，本课题基于B样条曲线，建立了环形混合器混合排气系统喷管、中心锥以及混合器位置的参数化模型，采用了空间领域法对传统的粒子群优化算法进行了改进，最终建立了喷管-中心锥-混合器位置的环形混合器混合排气系统一体化优化设计方法。在此基础上对环形混合器混合排气系统进行了优化设计，提高了排气系统整体性能。在该排气系统的基础上，本课题研究了不同阶数的响应面模型对波瓣混合排气系统性能的预测精度，并最终建立波瓣高度、宽度对波瓣混合排气系统热混合效率、总压恢复系数、推力、波瓣重量以及波瓣受力的预测模型。并以此为基础建立采用协同优化的方法建立波瓣混合排气系统气动性能及结构协同优化设计方法。