转/静干扰效应纳入设计体系的途径探索

1前言近年来,叶轮机非定常流动时间精确模拟获得十足发展。虽然如此,关于时间精确解仍然存在很多问题。因而就目前而言,将叶轮机非定常干扰时间平均效应纳入设计体系,实现准四维设计体系是缩短我国和发达国家叶轮机气动设计水平差异的关键工作,其中叶轮机非定常流动时均流动模拟方法是首要解决的问题。叶轮机时均流动模拟工作,国外主要有Adamczyk［llRhie［‘］国内作者和孟庆国博士也开展了研究［‘－’］,其中文献问详细阐述了时均流动模拟理论和方法,并对时均流动模拟基本方式进行分类（图1）。2反映转／静干扰效应的时均N－S…     

缘线匹配主导下的叶轮机非定常设计

随着高性能叶轮机的不断发展,叶轮机流动固有的非定常属性越来越强烈以致不容忽略,且计算流体力学和计算机技术的飞速发展以及对定常,非定常流动现象认识的不断丰富,使得更全面考虑非定常影响成为可能.本文以缘线匹配产生的学科发展内在背景为导引,从气动、气弹/振动、涡轮热环境管理、转静噪音控制四个非定常设计方面论述了缘线匹配技术在其中的主导作用.     

叶轮机设计的缘线匹配理论及方法

本文提出了叶轮机非定常设计的缘线匹配理论和方法,研究指出,缘线匹配注意了先前没有被考虑的周期非定常流动的相位影响,而今通过协调相邻叶排相邻缘线空间关系得以实现。初步理论及数值研究表明缘线匹配技术在提高叶轮机气动性能、气弹性能、气动噪声和热传导性能上的潜力。作为一个设计自由度,它使叶轮机非定常气动设计具有了真实而可操作的内容。     

缘线匹配技术在轴流透平设计中的应用探索

缘线匹配技术是叶轮机非定常气动设计技术,它以叶轮机相邻叶排前、后缘线空间相对位置为非定常设计自由度来进一步提升叶轮机性能,这在叶轮机定常设计框架下是不能考虑的。本文以单级蒸汽透平设计为例对缘线匹配非定常设计技术进行数值研究,初步展示了缘线匹配的应用方法及其设计验证,数值计算结果表明缘线匹配技术为叶轮机非定常气动设计提供了有效的设计自由度。     

非定常环境下叶栅性能的数值研究

本文采用数值方法对叶轮机基元非定常流和排间匹配进行深入研究。结果表明流动非定常性产生额外损失,滞回现象存在于叶轮机中。而考虑基元非定常流动的叶型设计和排间缘线匹配技术将是未来叶轮机非定常气动设计的核心。     

缘线匹配技术在轴流压气机设计中的应用探索

叶轮机缘线匹配技术以叶轮机相邻叶排前、后缘线空间相对位置为非定常设计自由度来进一步提升叶轮机性能,这在叶轮机定常设计框架下是不能考虑的。本文以单级轴流压气机设计为例对缘线匹配非定常设计技术进行数值研究,初步展示了缘线匹配的应用方法及其设计验证,数值计算结果表明缘线匹配技术为叶轮机非定常气动设计提供了有效的设计途经。     

离心泵启动过程内部瞬态流动的二维数值模拟

为分析离心泵启动过程外部瞬态特性的内流机理,建立求解叶轮启动和加速过程泵内部非定常流动的数值模拟方法,以二维离心泵为模型进行启动过程内部流动的数值模拟研究.以绝对坐标系描述伞场流动,采用动网格方法实现离心泵启动过程中叶轮加速旋转引起的流场变形,选用人涡模拟(LES)描述湍流.分析了叶轮启动过程巾内部非定常流动结构和演化过程及其与外部瞬态特性的关系,并与准稳态假设下的流动模拟结果进行了对比分析,定性地分析了离心泵在启动过程中的瞬态效应,验证了采用动网格方法求解启动过程瞬态流动的可行性.     

缘线匹配对非定常流动影响初探

为深化缘线匹配对叶轮机非定常流动影响的认识,本文以关注尾迹撞击叶表展向轨迹为出发点,围绕缘线匹配对叶轮机非定常流动及性能影响进行了初步数值探索.研究表明:不同缘线匹配时叶片整体性能参数具有不同的脉动水平;给定缘线匹配下,整体性能参数脉动幅值随工况几乎不变或变化很缓;在设计点为达到降低某种脉动目的而实施的缘线匹配在非设计点同样有效;尽管微弱,数值模拟中还发现缘线匹配对上游尾迹随流掺混产生影响;缘线匹配严重影响时均相关项量值水平,尤其在叶尖、叶根和前缘附近.     

单级跨音压气机非定常伴随气动优化

在多排叶轮机械中,动静叶干涉会在流场中产生强烈的非定常效应。公开文献中现有的多排叶轮机械气动优化设计均采用基于混合平面法的定常模型,无法考虑流动的非定常特性。本文采用课题组自行开发的多排叶轮机械非定常伴随气动优化系统,对某单级跨音压气机动叶进行了非定常气动优化设计,优化过程中采用谐波平衡法高效求解非定常流场和非定常伴随场。优化目标为降低压气机级的进出口熵增,同时限制流量和压比不低于原始设计,并控制叶片最大厚度的变化幅度。优化结果表明,本文伴随气动优化系统能够高效地对多排叶轮机械进行非定常气动优化设计。     

叶轮机械动静叶片排非定常气动干涉的数值模拟

本文采用一种分区算法求解二维Navier-Stokes方程,对叶轮机械多级叶片排内的非定常流场干涉进行数值模拟。在探讨分区计算对于复杂通道内流场和动静叶列非定常干涉作用数值计算的必要性和重要性之后,针对某蒸汽轮机跨音速叶片组进行了数值分析,得到了典型的动静叶间非定常干涉流动图谱、作用于叶片的非定常气动力及其频谱特征。计算结果表明。本文提出的计算方法是合理有效的,为今后进行大规模动静叶非定常气动计算和基于非定常数值模拟的工程设计提供了可靠的依据和有用的工具。     

光学炮塔气动载荷的非稳态特性

采用耦合J-B模型的IDDES模型与双时间步LU-SGS方法开展炮塔非稳态气动载荷的数值仿真研究。炮塔流动会发生分离,天顶位置的分离角大于90°;当流动绕过炮塔时,形成马蹄涡、脱落涡街等非稳态流场结构,导致气动载荷也具有非稳态特性;炮塔顶点的脉动静压功率谱在1.6~40.0 kHz进入各向同性均匀湍流的惯性子区,基本满足Kolmogrov的-5/3定律;气动力以阻力为主,横向力的脉动幅值大,气动力矩则以俯仰力矩为主,滚转力矩的脉动幅值大,偏航力矩可以忽略不计;气动力和力矩的功率谱主要集中在1 kHz以下,存在多个尖峰频率,主频约为230 Hz (斯特劳哈尔数为0.15)。在ATP系统设计之初,需要考虑光学炮塔所受气动载荷的非稳态特性,并规避尖峰频率尤其是主频的谐振破坏问题。     

弯掠动叶对跨声压气机非定常气动负荷的影响

对一单级跨声压气机设计工况采用弯掠动叶前、后的非定常流场进行了数值模拟,深入分析了动叶弯掠对压气机叶片非定常气动负荷的影响.结果表明t动叶弯掠后,动、静叶的气动力和气动力矩时均值由于叶片负荷大小及分布的不同变化而产生不同程度的改变;由于动叶对下游静叶的尾迹和二次流干扰远强于动叶所受到的下游静叶的势流干扰,静叶的气动负荷发生较大波动;弯掠动叶减轻了端壁损失并且减弱了顶部泄漏涡强度和根部角区分离,从而减弱了对下游静叶的非定常干扰,这使得静叶各气动参数的波动幅值显著降低.     

用热线风速仪测量叶轮后叶片扩压器流场

叶片扩压器对离心压缩机的总体性能影响很大,为了研究叶轮后叶片扩压器内复杂的非定常流动,本文对一大尺度离心压缩机级的叶片扩压器流场进行了实验测量。实验对Dantec的热线探针支架进行了改进,采用了固定热线、相位锁定-系综平均技术,对采集到的热线信号进行了有效地分解,提出了非定常强度的概念来定量考察离心叶轮对叶片扩压器流场的影响。     

折叠翼面展开过程中气动载荷特性数值模拟

针对某飞行器翼面高速展开过程,采用定常和非定常数值模拟两种不同方法,进行折叠翼面展开过程气动载荷分析研究,其中定常方法主要研究翼面从折叠到展开过程中不同展开角下外翼面的气动特性,分析展开角、来流参数对外翼面气动力的影响;非定常方法主要模拟折叠翼面展开角速度变化,从而获得典型工况下翼面展开过程的载荷情况,分析非定常效应对气动载荷的影响.研究发现,当翼面展开速度与来流速度相近时,则非定常效应不可忽略而必须采用非定常模拟方法.      

叶轮机械叶片流体激振安全性的全功能分析

本文提出了对叶轮机械叶片流体激振安全性实行全功能数值分析的新概念和方法。实现气动力学和弹性力学的弱耦合计算,由弹性力学方法确定三维振型,用振荡流体力学方法确定三维条件下的三维振荡流场,确定在各种振幅条件下的非定常气动力作功与阻尼功,引入气动功等于阻尼功条件下的平衡振幅概念。根据平衡振幅确定叶片流体激振的动应力,并进行寿命评估。这种全功能分析将使叶轮机械流体激振的安全性分析更加符合工程实际的需要,也能够解释大量的流体激振破坏不属于瞬时突然破坏,而是一种疲劳破坏。     

透平叶栅三维形状反问题研究

随着CFD技术的发展,基于伴随方法的求解Euler和NS方程的气动优化设计已成为流体力学形状反问题研究中的热门领域.本文应用该方法对透平叶栅进行三维气动优化设计,详细推导了Euler方程伴随系统的偏微分方程组及其各类边界条件,首次给出了透平内流伴随方程边界条件的具体形式,并给出伴随变量的物理意义.结合拟牛顿算法发展了三维透平叶栅形状反问题气动优化算法,并给出了算法的流程.     

气冷涡轮级叶栅非定常流场数值模拟

采用具有三阶精度TVD性质的有限差分格式、自由型曲面网格技术、分区算法以及双时间步长的方法,对某型涡轮级叶栅流场进行了非定常NS方程数值求解,考察了在有、无冷气喷射条件下涡轮级气动性能的非定常变化。结果表明,上游静叶栅是否喷射冷气对下游动叶栅超音速区域的影响具有明显的区别,有冷气喷射时动叶栅前缘气动负荷降低,级效率下降约1%,但是不同动叶通道内气动性能随时间周期性变化的幅度明显减小了。     

Effect of blade wrap angle on efficiency and noise of small radial fan impellers—A computational and experimental study

Radial impellers have several technical applications. Regarding their aerodynamic performance, they are well optimized nowadays, but this is in general not true regarding acoustics. This work was therefore concerned with analyzing the flow structures inside isolated radial impellers together with the far-field sound radiated from them in order to optimize the aerodynamic and acoustic performance. Both numerical and experimental techniques were applied in order to study the effect of varying wrap angle and otherwise identical geometric configuration on aerodynamics and acoustics of the radial impellers. The results give a detailed insight into the processes leading to sound generation in radial impellers. Measurements were performed using laser Doppler anemometry for the flow field and microphone measurements to analyze the radiated noise. In addition, unsteady aerodynamic simulations were carried out to calculate the compressible flow field. An acoustic analogy was employed to compute far-field noise. Finally, the phenomena responsible for tonal noise and the role of the wrap angle could be identified. Using this knowledge, design guidelines are given to optimize the impeller with respect to the radiated noise. This work shows that improved aerodynamic efficiency for isolated impellers does not automatically lead to a smaller flow-induced sound radiation.