2022年, 第31卷, 第1期 刊出日期：2022-01-25
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热科学学报. 2022, 31(1): 1-2. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1570-4
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热科学学报. 2022, 31(1): 3-12. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1557-1
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热科学学报. 2022, 31(1): 13-24. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1563-3轴流和离心压气机中，机匣处理是一种有效的扩稳技术，但其对斜流压气机失速特性的影响机制尚未得到深入挖掘。为解决这一问题，本文采用全环非定常数值模拟方法，研究了有、无机匣处理条件下斜流压气机的失速机制。首先，在50%设计转速下，数值模拟捕捉到和试验测量相似的失速先兆周向传播速度规律。其次，数值模拟获得的瞬态静压分布表明有、无机匣处理条件下，斜流压气机均发生突尖型失速，且都呈现出叶顶泄漏流前缘溢流、尾缘倒流的失速特征，这与部分离心压气机的失速机制不同，同时与多数轴流压气机不同的是，采用的轴向缝机匣处理未改变斜流压气机的失速特征。此外，分析了有、无机匣处理斜流压气机叶顶泄漏流的流动特征，揭示了在节流过程中，泄漏流和主流交界面不断前移并从叶片前缘溢出，由此引发的突尖低压扰动是导致压气机失速的主要因素。最后，对斜流压气机内部旋涡结构进行了深入分析，结果表明叶片前缘主流与泄漏流相互作用产生的径向涡和前缘分离涡导致了低静压区扰动，而高静压区扰动则与通道涡的堵塞有关。研究结果不仅能为斜流压气机的机匣处理设计提供指导，也为下一代航空发动机用斜流压气机的失速预警奠定了技术支撑。
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热科学学报. 2022, 31(1): 25-34. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1553-5针对分布式供能的市场开发了2MW的燃气轮机，本燃机采用压比位7：1的径流式涡轮。在本文中，研究了各种几何尺寸变化对涡轮性能的影响，其中包括叶轮的叶尖间隙、叶背间隙。除此之外，导风轮深切以及排风轮尾缘导圆的影响也进行了相关研究。最终，与分体式叶轮相关的几何特征也进行了相关分析。这些几何特征的分析方法主要采用计算流体力学的方法。部分的试验数据与整机测试中的性能数据进行了对比和验证。结果表明，对于本文的这种高落压比涡轮而言，排风轮的径向叶尖间隙、导风轮的轴向叶尖间隙，甚至包括深切导风轮的轮背间隙都对性能几乎没有影响。在全部的算例中，1%的间隙改变，仅仅导致约0.1%的性能恶化。这一发现与已有的低压比叶轮的结果十分不一致，这也意味着对于高压比叶轮存在不同的物理机理。
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热科学学报. 2022, 31(1): 35-46. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1547-3S型进气道以其隐身性方面的优势，被广泛地应用于现代先进军用飞行器中。然而其大曲率的流道常常在发动机的气动界面（AIP）造成复杂形式的进气畸变。其中旋流畸变是能够严重影响航空发动机工作性能与稳定性的来流畸变形式之一。通用的适应于评价强旋流畸变进气工况下的压气机稳定性评估方法仍然有待发展。作为评价旋流形式与强度的一种途径，涡识别方法可能具有进行辅助稳定性评估的潜力。本文就一系列不同几何特征的S型进气道模型进行了数值与实验研究，并使用轴向涡量分量与Q准则分析AIP旋流特征与S型进气道几何特征的定量关联。结果表明，几何、轴向涡量分量与Q幅值三者之间关联较为显著。基于现有结论，可以以模化S型进气道影响的方式来辅助快速重构接入进气道后的压气机入口流场的关键特征，从而辅助压气机流动稳定性预测。
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热科学学报. 2022, 31(1): 47-61. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1545-5为了保护燃气轮机的高温区域，气膜冷却方法被广泛使用，成型孔近壁区域的湍流特性十分复杂。在这项研究中，分别用LES和RANS研究平板的气膜冷却，将其时间平均值与文献中实验数据进行比较，结果表明，LES结果与实验具有较高的一致性，而RANS结果则显示出较大的偏差。由于采用涡粘性模型，RANS方法粗略地处理了边界层的模拟，从而导致较大的偏差。通过使用LES数据评估了涡粘性假设和温度梯度扩散假设，结果表明Realizable k-ε模型预测涡流粘度不足。此外，Realizable k-ε模型在空间中采用定值普朗特数不合理。此外，利用增量本征正交分解(iPOD)分析了孔内流动的湍流特性，湍流具有很强的各向异性，孔内气流的剪切诱导产生一些对流结构向下游传输。
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热科学学报. 2022, 31(1): 62-71. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1559-z
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热科学学报. 2022, 31(1): 72-81. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1542-8
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热科学学报. 2022, 31(1): 82-95. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1544-6为了研究利用机器学习技术解决涡轮叶片正问题（对气动参数进行预测），以及反问题（对几何参数进行预测）的可行性，本文分别搭建了基于BP神经网络的正问题模型以及基于RBF神经网络的反问题模型。采用S2程序生成数据集，使用反向传播算法训练模型。输入正问题模型的参数为导叶根部、顶部与动叶根部、中部、顶部5个截面的安装角、进口几何角、出口几何角、前缘压力面楔角、前缘吸力面楔角、尾缘楔角、后弯角、前缘直径共40个参数，输出为效率、功率、流量、出口相对马赫数、出口绝对马赫数、出口相对气流角、出口绝对气流角、反动度共8个气动参数。反问题模型的输入输出与正问题模型相反。模型可对气动参数与几何参数进行精确预测，测试集平均均方误差分别为0.001与0.00035。此项研究表明，基于神经网络的机器学习技术可被灵活地运用在涡轮叶片正反问题设计的研究中，以此搭建的模型在回归预测问题上具有实际应用价值。
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热科学学报. 2022, 31(1): 96-110. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1556-2为了深入研究对于风扇叶片飞失事件具有重要影响的设计参数，推导了简化的几何学和动力学的解析计算方法，选择典型的双转子大涵道比涡扇发动机建立了仿真分析模型。基于解析方法和真实的叶片飞失事故中得到的工程经验，识别出了三个具有决定性的风扇叶片飞失冲击过程。通过对于三个瞬态过程轨迹的解析计算分析，提出了声衬厚度、叶片数和风扇叶片飞失结构保险门限值三个关键设计参数。采用建立的双转子大涵道比涡扇发动机的仿真模型，完成了由三个关键设计参数不同取值组合形成的36个系列化风扇叶片飞失仿真。结果表明解析计算分析和三维仿真符合较好。仿真分析的特征现象可以得到解析法的合理解释。通过上述分析可以得到以下五点结论：1）如果风扇声衬较薄，简化的解析方法和仿真分析方法在预测飞失的第一枚叶片和机匣的第一次撞击点的时间和角向位置方面的结果区别不大。2）选取一个合适的声衬厚度可以降低在飞失叶片和机匣的第一次撞击时的冲击应力。3）不同的声衬厚度带来了第一枚叶片撞击第二枚叶片存在叶尖撞击和叶根撞击两种不同的撞击模式。4）第一枚叶片撞击第二枚叶片的不同撞击条件导致第一枚叶片向后飞行的速度分量存在巨大差别，从而导致不同条件下第一枚叶片的轨迹范围很广。5）在本研究中，较厚的声衬经常可以选择到合适的结构保险门槛值，能够实现较为满意的外传应力。对于后续的研究，提出了两个需要进一步细节，一个是复合材料风扇叶片和复合材料蜂窝的冲击动力学行为的研究，一个是更加款范围的结构保险门槛值对于较薄的声衬设计的影响研究。
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热科学学报. 2022, 31(1): 111-119. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1514-9超声速多孔气动探针是开展风洞实验的关键测试工具，有必要开展能够提高探针测量精度、扩展探针适用范围的基础性研究。本文理论推导出气体压缩因子δs~f(p*，ps， κ，λ)来扩展伯努利方程的适用范围，并讨论了使用气体压缩因子求解超声速气流速度和马赫数的可信度问题。研究结果表明：本文所提出的超声速气流的气动参数计算方法与气体动力学理论计算相比的计算误差在万分之一范围内，具有可信性。本文算法与其余三种算法相对比，对跨声速涡轮平面叶栅的试验数据求解超声速气流的速度和马赫数以及激波前后静压比的计算误差均在万分之一范围内，但是，激波后马赫数的误差相对较大。本文所提出的一种通用的超声速多孔气动探针自动化非对向测量方法，总体上是可信的，且充分考虑了激波因素，能够丰富完善气动探针理论体系，为超声速风洞实验提供理论指导和技术支撑。
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热科学学报. 2022, 31(1): 120-129. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1551-7在跨音压气机中，旋转失速到喘振的过渡过程是非常短暂的，通常压气机旋转失速后来不及采取措施来防止喘振。因此，有必要寻找一些旋转失速的先兆，其出现可以为喘振的预防提供充足的时间。本研究对旋转失速发生前的一系列工况进行了全周非定常气动CFD分析，并仔细分析该过程中非定常流动特征的变化规律来寻找失速先兆。研究发现在不同工况下的非定常流场中存在周向节径数不同的扰动波并将其作为旋转失速的先兆，该扰动从叶片前缘产生，在周向和轴向充分发展，并以固定的转速在周向旋转，最终确认该失速先兆的时空模态特征可用于旋转失速预警。
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热科学学报. 2022, 31(1): 130-140. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1565-1局部喘振是一种压气机失稳先兆，经过前期研究已经证实局部喘振发生于叶根局部区域，并通过引起流动振荡引发转子叶尖的旋转失速团。然而所有关于局部喘振的研究成果都是基于压气机整级实验所获得的，因此对于这样一台压气机的单转子而言，其失稳过程会表现出何种特征也是一个值得研究的问题。因此本文针对这台压气机的单转子开展了一系列的实验研究。均匀进气的实验结果显示，虽然在整级情况下高转速时会发生局部喘振型失稳先兆，但在单转子情况下，任何转速局部喘振都不会发生。通过数值模拟发现，单转子未发生局部喘振的原因可能是叶根负荷未达到前期研究所获得的引发局部喘振的临界值，因此进一步通过进口畸变屏增加叶根负荷开展实验，但是局部喘振仍然未能发生。最后本文对单转子情况下局部喘振未发生的原因进行了简单分析。从这些结果可以得到结论，局部喘振型失稳先兆在单转子的情况下不会发生，静子叶根的大尺度角区分离是引发局部喘振的重要因素。
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热科学学报. 2022, 31(1): 141-150. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1558-0间隙泄漏流成为触发高负荷跨声速轴流压气机转子旋转失速的主要诱因，而调整转子叶顶形状是拓展其高载荷条件下稳定工作范围的潜在手段之一。基于此，本文在NASA转子37叶顶几何形状的基础上，设计了三种最大宽度分别为2.0倍、2.5倍和3.0倍（相对于原型转子的叶顶沿程宽度）的叶尖小翼，并安装于转子叶顶的压力面侧（对应的新转子分别命名为RPW1, RPW2和RPW3）。数值结果显示，压力面小翼的宽度变化对压气机转子的工作裕度和左边界最小流量均具有显著影响，但是对转子堵塞流量和峰值效率的影响几乎很小。随着压力面叶尖小翼宽度的不断增加（由RPW1到RPW3），间隙泄漏流的强度得到明显抑制，且使得转子RPW3近失速工况的间隙泄漏流流量减少了20%左右。相比之下，压力面叶尖小翼引起的转子叶顶面积增加，并未在间隙区诱发更多的气动损失，因此加装三种不同宽度叶尖小翼的新转子与原型转子具有相似的峰值效率。新转子中由叶尖小翼重塑的新的叶顶泄漏通道形状取代转子叶顶两侧的静压差，成为决定间隙泄漏流特性的主要因素。由于压力面叶尖小翼增加了新转子叶顶的面积，而叶顶上方固壁附近的低速流体重塑并形成了间隙泄漏流新的气动边界和气动喉口结构（改变了叶顶间隙区的泄漏流速度分布特征），进而使得新转子中间隙泄漏流的泄漏流量和速度均得到明显抑制。此外，新转子在加装压力面叶尖小翼后，其叶尖进口轴向速度也有一定增加，有助于缓解转子叶尖区域的流动堵塞现象。综上分析，跨声速转子由压力面叶尖小翼宽度变化所诱发的进口轴向速度增加和间隙泄漏流强度减弱，使得新转子的工作裕度随着小翼宽度的增大呈现近似线性的增加趋势，尤其是小翼宽度最大的转子RPW3的工作裕度提升了近15%。
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热科学学报. 2022, 31(1): 151-162. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1564-2为有效抑制高负荷压气机内的流动分离，并提高其增压能力，本文研究了一种基于康达喷气的新型主动流动控制方法。叶片采用了扩压因子为0.66的Zierke&Deutsch双圆弧叶型。首先，对康达喷气缝进行参数化建模，研究中保证叶型型线光滑且连续；然后，基于对原叶型流场的分析，提出了前缝、后缝和双缝三种初始康达喷气叶型结构，针对该三种康达喷气叶型的几何参数，采用耦合遗传算法的神经网络模型进行了优化，并结合高精度数值模拟对比分析了三种康达喷气结构对叶型气动性能的影响效果及作用机理。结果表明，基于康达喷气的流动控制方法能够有效改善高负荷叶型的气动性能，且双缝康达喷气叶型的气动性能最佳。同时，相比于原始叶型，当双缝结构前缝和后缝的喷气-主流流量比分别为1.5%和0.5%时，能使叶型总压损失系数降低52.5%且使静压升系数提高25.7%。最后，基于流动控制效果最好的双缝康达喷气叶型，分析了叶型几何设计参数和喷气流量对气动性能的改善机制。结果表明，康达喷气叶型的几何设计参数主要影响叶型厚度和喷气缝的起始位置，从而增加流动速度并抑制流动分离。不同来流冲角条件下，采用不同的前、后缝喷气流量可使康达喷气的流动控制效果最佳。这为基于康达喷气的主动控制奠定了理论基础。
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热科学学报. 2022, 31(1): 163-172. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1566-0
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热科学学报. 2022, 31(1): 173-178. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1554-4
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热科学学报. 2022, 31(1): 179-188. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1522-6低轮毂比设计的转子叶片相对较长，导致叶根到叶顶气动参数变化剧烈，尤其是轮毂区域的流场组织变得更加困难。本文以某低轮毂比1.5级跨音轴流压气机为研究对象，通过数值模拟探究四种不同的转子轮毂造型对转、静子性能的影响。三维数值模拟结果表明，不同轮毂形状对跨音速压气机转、静子的流场有明显影响，进而影响压气机性能。在不同轮毂造型的峰值效率点开展详细的流场对比分析。与直线轮毂造型相比，下凹型轮毂可以改善转子的做功能力，增大堵点流量，跨音转子叶根附近的流场得到改善。上凸造型的轮毂会降低转子堵点流量、压比和效率。转子轮毂造型时应充分考虑其对静子流场的影响。
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热科学学报. 2022, 31(1): 189-197. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1549-1氨燃料燃烧因其低碳排放在汽车发动机、船舶发动机和电力系统获得了广泛的研究兴趣。但是，这种可再生燃料具有较低层流火焰速度，限制了其实际应用。利用一维自由传播火焰计算方法，本文数值地探索了进气温度对氨气/二甲醚/空气二元混合物层流火焰速度的影响，并阐明了火焰传播特性强化的作用机制。为此，通过对比数值预测结果与实验数据，对化学反应机理首先进行了验证。结果表明，提高进气温度对于改善二元混合物层流火焰速度有积极影响。该方法的实施提高了绝热火焰温度，从而促进了整个化学反应速率的进行。同时，二元混合物的热扩散率也得到了显著提升。此外，动力学和敏感性分析表明，进气温度对化学反应路径的影响很小，导致主导链分支比终止反应相对重要性的变化忽略不计。本工作证实，与进气温度变化相关的火焰速度强化主要是热和扩散效应的协同结果，而不是化学效应。
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热科学学报. 2022, 31(1): 198-206. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1562-4轴向燃料分段(AFS)技术是现代燃气轮机中一种先进的低排放燃烧方法，它将燃烧室分为两个轴向布置的燃烧区。为了研究燃料轴向分级燃烧的特性，我们设计并建造了一种工业级燃烧室。通过数值模拟得到了燃烧室内温度场和速度场的分布。然后建立了轴向分级燃烧常压燃烧室试验装系统，通过试验测量了燃烧室的流动阻力特性，研究了当量比和预热温度对污染物排放和燃烧不稳定性的影响。结果表明，冷态下，总压恢复系数始终在98%以上;在低负荷工况下启动二次燃烧可以减少50%的NO排放，并能抑制燃烧室的燃烧振荡。在Φ= 0.62，预热温度= 400℃的设计点，NO和CO排放分别为15.68和4.22 mg/m3 (@15%O2);
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热科学学报. 2022, 31(1): 207-213. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1548-2使用低旋流数的贫燃预混燃烧是一种常用的火焰组织形式。该方法可以增强火焰的稳定性并降低氮氧化物(NOx)排放。该燃烧方式的一个重要影响因素是燃空混合特征。本文使用数值模拟的方式研究旋流器的结构参数对混合特征的影响。本文基于多方面研究如下结构参数：叶片形状、叶片数量以及燃料喷口的位置和形状。在相同的叶片投影面积和安装角下，采用曲线型叶片的轴向旋流器比采用直叶片的预混效果要好，前者具有更好的预混均匀性和低压降。使用相同叶形的条件下，降低叶片数量可以改变压降，同时也会导致燃气喷口数目的下降，其对于预混均匀性的改变很有限。而增加叶片数量可以得到更好的预混效果。当总流通面积一定时，燃料喷口的轴向和径向位置均对预混过程有着重要影响。当燃料喷口被置于两叶片之间，且位于空气测上游时，预混效果最佳。与此同时，燃料喷口的方向也会对预混过程产生较大影响。当燃料喷口倾角与水平方向呈30°角顺流时，预混效果要好于垂直入射的直孔，当燃料喷口与水平方向呈30°角顺流时预混效果最差。
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热科学学报. 2022, 31(1): 214-223. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1550-8本文研究了渐变喷嘴角对燃气透平高温叶片前缘旋流冷却中横流抑制和换热强化的影响。以传统带垂直射流喷嘴的旋流腔为基准模型，采用三维定常数值分析方法，研究了其流动和换热特性，揭示了横流削弱下游射流和换热的机理。在此基础上，对比研究了带渐变喷嘴角和带垂直喷嘴角的旋流腔中的流动结构和换热特性。结果表明：对于带垂直喷嘴角的旋流腔，随着流动的发展，冷气的周向速度逐渐减小，轴向速度逐渐增大，从而形成横流。横流使下游射流偏斜，并裹挟射流至旋流腔中心，从而削弱了下游换热。对于带渐变喷嘴角的旋流腔，下游射流具有轴向朝上游方向的分速度，和横流的轴向速度相反，从而在一定程度上抑制了横流的不利影响，强化了靶面换热。随着流动的发展，横流的轴向速度逐渐增加，同时喷嘴角也逐渐增加，从而形成了相对平衡。在所有的角度增量条件下，同功耗下的热性能参数TPF均大于1。
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热科学学报. 2022, 31(1): 224-238. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1561-5双层壁冷却耦合表面热障涂层是先进燃气轮机热端部件最高效的热防护方式之一，但目前依旧缺乏相应的设计准则。为实现此目标，本文详细探讨了涂层厚度、冲击布局和冷气流量对隔热/冷却耦合体系综合气热性能的影响。系统综合冷却效率的测量通过匹配材料热侧毕渥数和冷热气流温度比来实现，并利用耦合传热数值模拟提供实验中未展示的部分重要气热信息。结果显示：涂层喷涂对金属降温的贡献远大于单纯地增加冷却流量。越厚的涂层甚至可以提供更强的绝热保护，但也会增加涂层自身的热破坏风险。涂层的利益会随着冷气流量的增加而不断扩大，但此趋势会因涂层增厚而被抑制。在主流横掠下，等厚涂层并不能导致均匀的金属温度分布，但其可以通过适当调节背侧冲击来解决。内部冲击的变化并不能改变综合效率与涂层厚度之间的关系。
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热科学学报. 2022, 31(1): 239-250. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1555-3为了提高涡轮外环的冷却效果，本文基于涡轮外环实际工况多变的特性，搭建了两种燃气进角（90°、167°）的外环冲击/气膜冷却试验台，利用红外测温技术试验研究了气膜孔排布方式、燃气进角、吹风比（0.7、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0）、温比（1.2、1.3、1.4、1.5、1.6）对冲击-气膜冷却式外环冷却特性的影响。结果发现：气膜孔垂直或同向燃气来流出气的气膜覆盖效果好于对冲燃气出气的气膜覆盖效果；较90°进气，167°进气外环表面的冷气覆盖区域得到扩展，面平均综合冷却效率提升1.03%~12.6%；外环综合冷却效率因吹风比增大使冷气流量、压力增大而增加，对应增加率介于1.04%~9.96%，而温比增大提升主流加热能力导致外环冷却效率降低，最大降低率达到11.04%。
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热科学学报. 2022, 31(1): 251-260. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1540-x本文详细介绍了一款用于微型燃气轮机的80kW、60000rpm高速永磁电机的多物理场综合设计方法。首先，根据电磁与机械设计理论初步确定了高速永磁电机的电磁方案。然后，详细分析了碳纤维护套厚度、转子直径以及铁心长度对转子应力和转子动力学性能的影响，得到转子直径和铁心长度的优化范围。在此基础上，对多个电磁方案的电磁与损耗特性进行了优化分析，得到高速永磁电机的最终设计方案。然后，基于流固耦合模型对最终方案进行进行了热分析，以验证此方案的合理性。为了准确预测转子应力分布，将计算得到的电机温度场导入转子应力计算模型，并对碳纤维护套进行了分层、多角度缠绕，最终得到分别适用于样机制作和批量生产的转子模型。最后，基于上述高速永磁电机的设计，制作了样机进行性能试验，以验证此多物理设计方法的准确性。
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热科学学报. 2022, 31(1): 261-272. https://doi.org/10.1007/s11630-022-1546-4燃气轮机的使用越来越广泛，其研发和生产体现了一个国家的工业能力和水平。由于多变的工作环境，通常燃气轮机都是工作在环境温度、载荷和燃料等多种工况同时变化的条件下。然而目前的研究以单工况变化为主，未充分考虑不同条件同时变化的情况。本文在单工况的基础上进一步研究燃气轮机的温度-载荷、燃料-载荷和燃料-温度三种双变工况性能。首先建立了燃气轮机的整机模型，其中压气机模型对燃气轮机性能影响最大，因此本文结合了gPROMs的工程建模优势和MATLAB神经网络强大的数学计算能力，得到了更为精确的压气机模型。然后以天然气燃料的变工况为基础，分别研究了部分载荷、环境温度和改烧另外四种煤制气这三个因素中两个因素同时变化时，燃机轮机的运行性能状况，即燃气轮机双变工况性能，这其中主要以出力和效率两个参数的变化为主。研究结果表明随着环境温度的升高，燃气轮机效率和功率输出会下降；随着燃料热值的降低，功率输出和燃气轮机效率增加；随着载荷降低燃气轮的效率降低，这些变化规律与单变工况一致，但在燃料和温度同时变化时仅调节IGV角度无法避免燃气轮机在30℃以上时出现喘振现象，此时需要调节抽气率来辅助调节才可使燃气轮机安全稳定运行。因此，燃气轮机双变工况研究对燃气轮机的调峰运行具有重要的参考意义。
