柴油机废气涡轮增压器压气机的气动噪声源特性研究

基于雷诺时均方程(RANS)及双方程湍流模型,建立了船用大功率增压器压气机的内部流场计算模型;计算了压气机叶轮流道内的流速分布和湍流流场,得到叶片顶部出口附近的流速分布在1.02马赫和1.1马赫之间;采用基于声比拟的数值积分方法(FW-H方程),得到了压气机叶轮的气动噪声源,并比较了主叶片和分流叶片顶部出口位置的气动噪声频谱特征,发现两者的噪声级及叶频分布存在差异。计算表明:压气机在轴频及其谐波频率处的噪声远小于叶频噪声,主流叶片及分流叶片紊流的噪声成因不同;压气机内部流噪声源的大小主要取决于气流速度;压气机转速由8000r/min增加至16000r/min、由16000r/min增加至22000r/min,流噪声的幅值约增加12dB。     

基于流固耦合的跨声速压气机叶片静气动弹性分析

采用时域推进的双向流固耦合方法对一级跨声速压气机叶片流场和固体域进行数值模拟,研究跨声速转子叶片静气动弹性变形及其对气动性能的影响,对比分析了100%转速下转子叶片的气动特性和固有频率的变化.结果表明:转子叶片在气动力和离心惯性力共同作用下的弹性变形以扭转变形为主,气动力对叶尖前缘变形量的影响可达总变形量的20%.转子叶片变形后通道流通能力增强,气动特性曲线向大流量方向偏移.     

考虑气动热对粘性系数μt影响的压气机流场计算

根据气动热影响叶片壁面附面层粘性系数tμ的理论,把考虑气动热对粘性系数tμ影响的粘性体积力计算方法运用于压气机叶栅三维粘性流场计算。计算时使用有限体积显式时间推进法解算Navier-Stokes方程,用Baldwin-Lomax模型模拟湍流流动。所得结果比不考虑气动热影响的三维计算结果更接近实验结果,能更真实地反映压气机叶栅流场的流动。     

压气机流动稳定性自适应控制方法研究进展

压气机流动稳定性自适应控制是未来智能航空发动机的一项关键技术. 基础研究需要回答3个关切: 如何描述系统的稳定性？如何改变系统的稳定性？如何监测系统的稳定性？为此, 本团队在压气机流动稳定性通用理论、壁面阻抗边界扩稳方法和在线实时失速预警技术等3个方面开展了系统深入的研究工作. (1)所发展的叶轮机流动稳定性通用理论既能包含流动非均匀性又能考虑叶片几何, 计算高效, 预测精度高, 为压气机气动/稳定性一体化设计提供了可靠的评估工具. (2)所发展的基于壁面阻抗边界调控策略的SPS (stall precursor-suppressed)机匣处理和泡沫金属机匣处理在扩稳、降噪和保持系统气动性能方面取得实质性进展, 采用等价分布源方法建立了包含机匣处理影响的压气机失速起始预测模型, 对SPS机匣处理和泡沫金属机匣处理关键结构参数进行敏感性分析, 使其具有明确的理论设计准则. 实验结果证实, SPS机匣处理通过抑制失速先兆波的非线性演化达到扩稳的目的, 在扩稳的同时可以保持压气机的压比和效率特性; 泡沫金属机匣处理可以实现扩稳和降噪的双重效果, 也具有良好的工程应用前景. (3)所发展的基于气动声学原理的实时失速预警方法将压气机失速预警时间提高到秒量级以上, 能够在线监测系统稳定性. 综合上述理论预测方法、扩稳技术和实时失速预警技术, 发展了闭环反馈自适应控制方法, 为未来智能航空发动机提供了一种自适应扩稳控制技术.      

叶轮机械非定常流动研究进展

本文就叶片排进出口流场畸变型动力响应、压缩系统气动稳定性、叶轮机械非定常气动问题的数值模拟以及失速颤振轴流压气机系列转子实验等４个方面问题,从非定常气动力学角度作一概述和展望      

基于涡尾迹方法的风力机气动性能分析

基于(势流)涡尾迹方法开发了水平轴风力机叶片气动性能分析程序,采用固定尾迹涡模型和自由尾迹模型分别对气动设计性能进行计算分析,得到风力机设计工况下的涡位置、诱导因子、功率系数及扭矩系数等气动性能参数,并与设计结果对比。结果表明,涡尾迹方法能够快速准确地计算风力机叶片气动性能参数,对风力机叶片气动分析,固定尾迹涡模型较自由尾迹模型计算时间短,具有较好的实用性。     

一种微型轴流风扇扭叶片设计方法及其气动特性的数值研究

本文利用"径向平衡"原理,建立了轴流叶轮出口通流速度沿叶高的分布方程,并基于此提出了一种新的扭叶片设计方法.将该方法运用于某微型风扇的设计,并采用CFD技术,数值研究了不同扭曲形式下该型风扇的气动特点.通过与用传统方法设计的扭叶片及原始直叶片的气动性能的对比发现,按本文提出的方法所设计的扭叶片不仅能扩大微型风扇小流量稳定工况范围,而且其风压明显增加,有助于提高微型风扇的气动性能.     

平面叶栅气动试验研究进展与展望

平面叶栅气动试验传统上是验证压气机、涡轮的基元性能的主要手段, 近年来国内外研究人员利用平面叶栅开展了大量的流动测量试验, 以揭示叶栅内部复杂流动现象的本质和规律、探索减小叶栅内流动损失的方法. 本文从试验装置、测试技术和研究内容三个方面, 综述了近年来平面叶栅气动试验研究的进展情况. 首先介绍了平面叶栅试验装置的发展及提高平面叶栅试验段流场品质的措施; 其次介绍了叶栅气动试验采用的部分流场测试技术, 包括叶片表面压力场、叶片表面温度场、内流速度场及流场可视化等测试技术, 分析了这些测试技术的进展和存在的问题; 然后梳理了近年来平面叶栅试验研究的相关科学问题及进展, 包括跨音速叶栅中的激波研究, 叶顶间隙泄漏流动研究, 叶型优化研究, 多尺度非定常旋涡结构研究, 振动环境下叶栅流场研究等; 最后对平面叶栅气动试验研究方向进行了展望. 通过了解叶栅内复杂流动现象及本质, 为进一步探索和提高压气机、涡轮的气动性能提供技术支撑.      

基于Schmitz理论的风叶气动设计研究

应用Schmitz理论进行叶片气动设计,考虑了风力机叶片的气动损失,用Schmitz理论推导出风力机叶片的基本设计参数的计算公式,并考虑了风力机在启动和空载时风力机的实际工作点偏离了设计点,对叶片的气动性能参数进行了修正。通过对200kW风力机的算例表明:随着叶片半径的增大,入流角逐渐减小;叶片弦长先增大后减小,修正后得到的风力机在非设计点处的推力、驱动力矩、功率与实际风力机的特性规律相符。     

离心压气机的堵塞与喘振

本文在离心压气机试验工作基础上对堵塞与喘振现象进行了分析,介绍了计算叶片扩压器与叶轮堵塞流量的方法以及设计中导风轮进口喉部面积与叶片扩压器喉部面积应保持的正确比例。计算结果与试验数据进行比较获得了较好的一致性。本文还介绍了叶片扩压器与叶轮流道静压分布的测量结果,并结合试验现象运用边界层概念对离心压气机喘振问题进行了分析。      

跨音速三级前置风扇的气动研究

本文报告三级前置风扇的气动设计和试验,该风扇出自亚音速和超音速三轴外函道推进装置设计方案。关于叶列之间的流动状态以及叶片装置形状的设计研究将予以详细说明。此外还要谈到为研制超音速叶型而专门进行的叶栅测量。试验用的压气机在慕尼黑的发动机和透平联合公司的试验台上进行了完整的试验并得到进一步研究。将说明此研究的最重要结果和步骤。其中也包括改变函道比和模拟进气干扰的影响。      

串列叶片式前向离心风机气动与噪声特性的优化研究

对采用串列叶片的某前向离心风机内部三维非定常流动进行了数值计算,重点研究了串列叶片不同叶片相对长度和不同叶片相对周向位置两个参数对风机气动性能及气动噪声的影响.通过响应面方法对数值结果进行二次回归拟合,得到两个参数与风机效率和A声级间的函数关系,并进行了优化分析.数值结果表明:两个参数对串列叶片式前向离心风机效率和A声级均有较大影响,合理的串列叶片设计能够在保持气动性能基本不变的情况下降低风机的气动噪声.将可靠的CFD数值技术与响应面方法结合起来用于指导离心风机的改进及试验设计是可行的,本文的研究结果可为串列式离心风机在节能与降噪的总体设计方面提供参考.     

多级轴流压气机多叶排调节扩稳优化分析

整理和归纳出合适的流动损失和落后角模型,并将其与逐排基元叶片算法相结合,给出了计算多级轴流压气机特性工程方法;进一步将其与复合形优化方法相结合,对多级轴流压气机多叶排调节扩稳进行了优化模拟,并应用于某8级轴流压气机算例计算.结果表明,在部分转速工况下,采用带性能约束的优化调节在不明显降低性能的同时能够显著减小多级压气机不稳定点流量;在设计工况下,采用适当的变几何优化调节不仅能明显扩大压气机稳定工作范围,还能明显提高压气机绝热效率.     

低雷诺数下附面层组合抽吸方案对压气机特性影响的研究

为了分析附面层抽吸流动控制对低雷诺数下压气机特性的影响,本文采用数值方法模拟了低雷诺数下附面层组合抽吸方案对NASA Rotor 37跨音速压气机性能和稳定性的影响特点及作用机理。通过在该压气机转子叶片吸力面和机匣上分别设计附面层抽吸槽,探讨了组合抽吸方案对低雷诺数下(H=20km)压气机性能和稳定性的影响。结果表明:采用组合抽吸方案后,压气机峰值效率提高约1.3%;压气机最大增压比提高约2.5%;压气机转子的近失速点流量减小约14.6%。进一步分析作用机理发现,组合抽吸槽有效抑制了附面层径向涡向叶顶的运动和聚集,使叶顶附面层分离区减少约70%从而有效改善了压气机的流场特性。     

基于近似技术的涡轮叶片气动优化设计

根据五次多项式方法进行三维涡轮叶片的参数化建模,采用N-S方程和湍流模型进行三维流场分析计算,以K-S函数法作为优化方法,利用近似技术加速循环优化速度,建立了一种基于近似技术的涡轮叶片的气动优化方法。将气动效率和总压比作为目标函数,对涡轮叶片进行多目标气动优化、形状优化。算例表明本文提出的涡轮叶片优化设计方法是有效的。     

轴流压气机叶片堵塞颤振的数值预测

在多级轴流压气机的实际运行中,中间级和后面级叶片所发生的低负攻角堵塞颤振主要是弯曲振型。但现有文献只研究了扭转振型的叶片堵塞颤振。本文采用前一阶段发展的有限差分方法,预测到在高亚音进口Mach数、低负攻角条件下,跨音振荡叶栅弯曲振型堵塞颤振的发作。此外,还研究了一些几何参数及气动参数对于跨音叶栅弯曲振荡稳定性的影响。初步数值结果表明,激波的存在对跨音叶栅气动弹性稳定性的影响是显著的。     

轴流压气机端壁附面层的理论预测

从Ｎ－Ｓ方程出发，推导了轴流压气机端壁边界层动量积分方程，并提出了一种适用范围广泛的叶片力亏损模型，结合边界层的卷吸方程和速度分布表达式，可以方便的预测压气机环壁边界层的发展，与传统的叶片力亏损模型相比，该方法的计算准确性和适用范围均得到提高。     

航空发动机压气机叶片振动频率与温度的关系

以某型航空发动机压气机第六级叶片为例，研究了温度对叶片振动频率的影响。发现由于温度的升高导致了材料弹性模量的下降，而弹性模量的下降又导致了叶片在发动机一定的转速范围内，除一阶振动外，其余各阶振动的动频均小于静频，因此与通常的工程处理方法不同，研究压气机叶片的动频时，应考虑温度的影响。     

一种高效的叶轮机叶片气动阻尼计算方法

运用叠加原理, 发展了一种可以运用于小振幅运动的叶轮机叶片非定常气动力降阶模型, 并将该模型与传统的能量法相结合, 提出了一种叶轮机叶片气动阻尼的高效求解方法. 运用该方法求解叶轮机叶片的气动阻尼系数, 对某个频率、某个模态只需要进行一次非定常计算, 就可以求出所有叶间振动相角下的气动阻尼系数, 提高了气动阻尼的求解效率. 在STCF4和NASA Rotor67两个算例上运用非定常雷诺平均N-S(RANS)方程和提出的降阶模型进行了对比计算.算例表明, 在小振幅下该方法的计算结果与RANS方程计算得到的气动阻尼系数能很好地吻合, 而计算效率相比多通道非定常RANS方程计算提升了近一个数量级, 并且该方法还可以运用于有失谐情况的颤振分析, 在工程上有较高的应用价值.      

低压涡轮内部流动及其气动设计研究进展

随着高空无人飞行器研究的不断升温, 高空低雷诺数条件下动力装置的研究越来越受到人们的重视.结合近年来国内外相关领域的研究工作, 对低雷诺数低压涡轮内部复杂流动机理的研究进展进行了介绍, 包括低雷诺数情况下低压涡轮内部非定常流动的特点, 叶片边界层分离及转捩现象机理, 上游周期性尾迹与下游叶片边界层相互作用机理等. 在此基础上给出了适合低雷诺数条件的低压涡轮气动设计方法:尾迹通过与边界层的相互作用, 能够抑制分离, 进而减小叶型损失, 在气动设计中有效引入非定常效应可以大幅度提高低压涡轮的气动负荷或降低气动损失, 最终达到提高性能的目的;数值及实验结果验证了这种设计方法的有效性.