● 摘要
航空活塞发动机广泛应用于通用航空飞行器及无人机领域，二冲程航空重油发动机是中小型航空器替代动力装置之一，扫气过程设计属于二冲程发动机的关键设计。与回流扫气和直流扫气方式相比，基于双向旋流的涡流扫气方式具有降低碳烟排放量、延长维修间隔的潜力，应用前途广阔。但目前关于扫气过程中的双向旋流研究较少，而且与研究较为广泛的中心出口双向旋流不同，扫气过程中的双向旋流具有边缘出口。旋流的一般理论指出，旋流流动受出口位置影响极大。因此，扫气涡流机理的研究具有重要的应用及理论意义。
扫气过程与发动机其他过程存在耦合作用，因此，对于扫气气流组织的研究，已从冷态稳态边界研究过渡到瞬态边界研究，同时正朝着以整机多学科耦合为基础的系统分析方向发展。本文从三个层次展开了研究，包括流场基本特点、复杂边界耦合效应以及系统耦合分析方法。
在流场基本特点研究中，针对冷态流场模型，本文设计了粒子图像测速（Particle Image Velocimetry，PIV）实验测试和计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）数值计算两种研究方案。设计了PIV实验系统，整个实验系统包括流路系统和PIV测试系统两个部分，测试了横截面流场和子午面流场。建立了适用于双向旋流的CFD数值计算方法，采用雷诺平均方程及雷诺应力模型，采用非定常模型以适应旋流流动非定常特征。通过PIV实验测试结果及CFD数值计算结果分析了双向旋流流场基本特点及其形成机理。实验及计算表明，缸体内部的流动在径向方向是分层的，外部为双向旋流流动，内部为中心回流区。针对中心回流区的形成机理进行了讨论。提出并定义了分层半径，以衡量中心回流区域的大小或者外部双向旋流区的大小。切向速度和轴向速度具有雷诺数相似性。分析了几何旋流数的影响方式，指出了两种几何入口角所引起几何旋流数变化对速度分布的影响不等效。在PIV实验测试和CFD数值计算基础上，扩展并求解了考虑分层的双向旋流无粘理论模型，通过与粘性三维CFD模型的对比，分析了模型参数的选取以及粘性对双向旋流的影响。
在复杂边界耦合效应方面，通过建立数值模型，揭示了边缘出口双向流场的非均匀入口边界效应、非定常入口边界效应、热耦合效应。对于非均匀入口边界效应，研究了轴向速度、切向速度和径向速度非均匀分布规律。针对入口速度沿入口轴向的非均匀性，定义了入口复合速度环量。通过对比四种入口复合速度环量分布形式，表明下边缘大环量上边缘小环量的斜坡型复合环量分布形式，在增加双向旋流轴向流量、抑制中心回流区方面具有较大优势。在此基础上，提出了一种双层入口环量控制结构，能够实现增加双向旋流轴向流量、抑制中心回流区的功能。对于非定常入口边界效应，重点讨论了入口质量流量随时间的线性变化过程。结果表明，缸内流场的变化与非定常入口边界相比具有滞后性，并且，不同区域的滞后程度不同。入口质量流量变化剧烈程度越大，非定常入口边界过程与定常入口边界的速度分布形式差异越大，缸内流场的变化与非定常入口边界相比的滞后程度越大。对于壁面热效应，重点讨论了高温壁面对缸内流场的热效应。结果表明，壁面加热效应会使速度幅值增大，轴向速度的最大值变化程度大于切向速度的最大值变化程度，壁面加热效应会使最大切向速度及最大轴向速度径向位置内移。对于非等温气体耦合热效应，重点讨论了非定常条件下的低温入口气体与高温缸内气体的热耦合效应。结果表明，非定常非等温气体热耦合过程会引起缸内流场的非定常变化，缸内流场的变化与非定常入口边界相比具有滞后性，非定常入口边界过程与定常入口边界的速度分布形式存在差异。
在系统耦合分析方法方面，提出了扫气过程系统耦合模型实现策略、实现了静态敏感性分析方法应用以及扩展了动态敏感性分析方法理论。引入了系统耦合模型的部件集成、学科耦合及模型缩放三种基本实现策略，并以三维瞬态缸内过程模型为例，说明扫气过程详细模型的实现方式。以发动机稳态系统模型为基础，引入静态敏感性分析方法，在总结基于方差的全局敏感性分析方法基本原理及方法的基础上，提出了基于准维模型和代理模型实现系统模型大量重复计算的方法，并实现了静态敏感性分析方法的应用。针对动态系统模型，给出了动态敏感性分析方法的基础理论扩展。