级环境下叶片扩压器流场的实验与数值研究

为了研究离心压缩机级环境下的非定常干扰的基本流动现象,并验证多级叶轮机械的CFD软件的分析能力, 对一大尺度离心压缩机的叶片扩压器流场进行了实验测量和数值计算. 实验采用了固定热线、相位锁定------系综平均技术,用常温热线风速仪对叶轮后的叶片扩压器通道内不同周向、径向和轴向位置处的非定常速度进行了测量,同时提出了非定常强度的概念,以定量考核非定常的影响.实验结果表明, 叶片扩压器内的非定常流动非常复杂,其时间周期并非叶轮叶片通过时间,随着与离心叶轮之间的距离增大,非定常扰动逐渐减弱,但一直延续到叶片扩压器的出口.另外,对该实验压缩机级开展了两个不同的数值计算,并与实验数据进行了比较：定常数值计算软件采用了作者发展的确定应力模型,非定常数值计算是用商业软件NUMECA实现的,计算采用了滑移界面技术. 两个计算结果与实验在扩压器的进口截面处吻合得很好.     

进口预旋对离心叶轮气动性能影响机理的研究

将理论推导和数值模拟相结合,对典型离心压缩机Eckardt叶轮流场进行分析,探讨了不同进气预旋对叶轮气动性能的影响;从叶片进口攻角、叶尖相对马赫数和流向压力变化的角度,阐述了预旋对内部流动以及气动性能的影响机理。结果表明:预旋角对进口攻角和叶尖相对马赫数同时产生显著影响,正预旋会降低进口来流的攻角及相对马赫数,使叶片前缘载荷降低、叶轮效率及稳定性提升;负预旋会提升叶轮的做功能力,使总压比上升;正预旋由于降低了叶片前部做功能力,使低压流体堆积到叶片中后部,导致总压比下降;叶轮最高效率受叶尖相对马赫数与进口攻角共同影响,若提升效率必须合理协调预旋对二者的影响。     

阻旋栅对梳齿密封动静特性影响研究

阻旋栅可改变密封进口流体周向流动与进口预旋,是提高系统稳定性的主要方法之一. 本文作者应用计算流体力学方法研究了阻旋栅几何参数对梳齿密封动静特性的影响,计算分析了阻旋栅在不同长度、间隙、周向个数及不同进口预旋比下密封流场分布与动力特性系数,并与无阻旋栅梳齿密封进行对比. 研究表明:阻旋栅能够有效抑制密封进口周向流动、降低密封腔室周向压力;随着阻旋栅周向个数与阻旋栅间隙的减小,其抑制效果增强,阻旋栅长度的增加对周向速度影响则越来越小;提高预旋比将使密封内流体周向速度增加. 与传统梳齿密封相比,具有阻旋栅的梳齿密封直接阻尼增加,交叉刚度降低,进而有效阻尼提高. 阻旋栅间隙s=0.20 mm、长度l=3.25 mm、数量n=90时密封有效阻尼较大,系统稳定性最好.      

离心压气机叶片扩压器的不稳定流动特征

本文用高频响应的热线风速仪及压力传感器作为测量仪器,与磁带记录仪及CF-920动态信号分析仪一起,组成测量及分析系统,并用该系统对离心压气机带叶片扩压器时的流动脉动进行了测量,得出了流体脉动的时间和空间特征.文中给出了失速波形及失速参数随流量的详细变化.本文装置上产生三团失速,流量减小过程中。失速团以2.2%～7%的叶轮转动速度旋转.转速变化时,失速现象的演变过程并不发生变化.失速时,叶片扩压器前缘附近的流动最为恶化,流体脉动幅度较大,气流角的变化剧烈.     

水泵水轮机泵工况驼峰特性形成机理瞬态数值研究

针对水泵水轮机泵工况流量-扬程曲线的驼峰特性,采用SSTk-ω湍流模型对水泵水轮机进行模拟,并研究定常与非定常模拟对流量-扬程特性的预测准确性。建立活动导叶开度为20°的水泵水轮机全流道模型,对于非定常模拟,在尾水管(吸水室)-转轮与转轮-活动导叶两动静交接面处,分别设置考虑瞬态效应的TRS(Transient Rotor Stator)模型,模拟预测机组流量-扬程关系,分析各过流部件扬程损失并研究驼峰区产生机理。模拟结果表明,泵工况下水泵水轮机流量-扬程驼峰特性与固定部件内部涡结构及其所致损失紧密相关。相比定常模拟,瞬态非定常模拟结果与试验值更为吻合,且在交接面前后相邻处速度场变化平缓,符合实际流动规律。考虑交接面瞬态作用的非定常模拟能够更加准确地模拟水泵水轮机等叶轮机械在非设计工况下的流动,为改善水泵水轮机运行稳定性提供有效的参考。     

采用不同黏性处理方法的宽无叶扩压器不稳定流动研究

径向无叶扩压器的全局稳定性可能受到核心主流失稳,出口回流与壁面边界层分离等因素影响,对于宽无叶扩压器,无黏核心主流与壁面边界层流动对不稳定扰动诱发的作用机理是当前研究的重点.本文首先通过数值计算获得了大宽度比孤立无叶扩压器平均流动,然后基于小扰动理论和周向均质假设,分别对欧拉方程与 Navier-Stokes 方程进行线性化,建立了基于无黏核心流动的稳定性分析方法,以及基于涡黏性与分子黏性的混合稳定性分析方法;通过与实验结果的对比,验证了混合稳定性分析方法预测所得流动失稳频率和全局直接模态的准确性;最后基于伴随方法获得了特征值的结构敏感性,揭示了不同黏性处理条件下宽无叶扩压器内全局不失稳扰动的源发区域.在只考虑核心主流的无黏条件下,宽无叶扩压器内流动不稳定扰动来源于流场中部,为二维的离心失稳;在同时考虑核心主流与边界层的作用时,宽无叶扩压器不稳定扰动不仅来源于扩压器流场中部的核心主流,壁面回流对于不稳定扰动的产生了重要影响.      

进口受控非定常来流同振荡叶栅相互作用的Euler方程数值解

将 Dcnton 的四角点有限面积格式用于求解变换坐标系下的非定常 Euler 方程组,在振荡叶片附近局部子域构造了一种按等差级数分布的动态网格,从而节省了计算时间,对于本方法的正确性进行了初步检验并与相应的实验进行了对比,在进口总压简谐振荡的束流条件下,计算了零安装角平板叶栅和53°安装角双凸叶栅扭转振荡的非定常流场,结果表明,进口受控扰动同振荡叶栅之间的相互作用在有压力梯度的情况下可以定性地改变叶栅的气动阻尼。     

导弹纵向俯仰气动特性数值分析

应用有限体积方法求解三维可压缩雷诺平均N-S方程,计算了某型巡航导弹的静、动态绕流流场和空气动力特性.湍流模型应用修正后的B-L代数湍流模型.以细长旋成体绕流流场为例进行数值计算,并和实验数据相比较,验证了本文方法的可靠性,在此基础上,开展了某型巡航导弹绕不同转轴和以不同频率进行俯仰振动的非定常气动力迟滞特性研究.计算结果表明,当导弹作快速俯仰振动时,在上仰和下俯过程中的同一迎角瞬间,绕导弹流场流动明显不同,表现出明显的非定常迟滞特性.并且,导弹的非定常气动力迟滞特性随振动频率的增大变化明显,且气动力迟滞曲线随着振动轴位置的变化而变化.     

横向喷流对低速大攻角细长旋成体非对称气动特性影响研究

采用风洞试验和数值模拟相结合的方法,对雷诺数Re=55 000条件下细长旋成体有、无横向喷流时大攻角非对称特性进行了分析.通过风洞试验发现了旋成体在法向和侧向进行喷流时其大攻角非对称气动特性与无喷流时的区别,通过数值模拟方法对几个典型工况下旋成体有、无横向喷流时的非对称气动特性进行了分析,揭示了喷流对旋成体非对称流动分离的影响.通过风洞试验发现当细长旋成体进行法向控制时无喷流、喷流位于迎风区和喷流位于背风区的旋成体表现出了不同的非对称流动特性:首先喷流位于迎风区时攻角范围在20°～40°之间有喷流和无喷流旋成体所产生的侧向力方向相反,攻角大于40°之后侧向力系数的方向发生了改变,与无喷流时的侧向力系数方向相同,但是其绝对值要比无喷流时的侧向力系数小.其次喷流位于背风区时攻角在15°～35°之间有喷流时的侧向力系数绝对值要明显比无喷流时大,在随后的40°～70°之间旋成体侧向力系数变化规律与无喷流的趋势相似.当细长旋成体进行侧向控制时由于沿侧向的喷流所产生的直接力使得攻角范围在0°～20°之间和大于45°时有喷流的旋成体侧向力系数绝对值要比无喷流时大,但是攻角在25°～40°之间时旋成体...     

轴流压气机级内三维粘性流动的数值模拟

考虑轴流压气机中实际气流沿径向和周向都不均匀的特点,采用亚松弛方法改进传统的混合界面模型,发展了轴流式压气机级内全三维粘性流场的数值计算程序,并以某轴流式双排对转压气机的进口导叶/转子为研究对象,将本文发展的程序与商用 NUMECA 软件的结果进行对比,对本文发展的程序进行了验证。对比结果表明：由于混合界面法引入了“人工掺混”,商业软件计算得出的总压在通过交界面时存在一定的总压损失,而自编程序计算结果保证了总压在交界面处的一致性。流场分析结果表明：该转子叶片在设计工况下处于负攻角状态,在导叶出口轮毂处、压力面50%弦长处、吸力面靠近尾缘处均出现了轻微的流动分离现象。