层流叶片在压气机中的应用研究

压气机叶片表面层流流动及转捩现象的捕捉是研究压气机层流叶型的重点和关键。通过基于SST转捩模型的数值方法对某压气机叶型进行数值模拟分析,以精确捕捉普通湍流模型无法捕捉的叶片表面的层流流动及转捩现象,并给定叶片表面转捩的判定依据。在此基础上深入研究低雷诺数环境和高湍流度环境对压气机叶片表面层流流动的影响,验证了在实际压气机环境下,叶片表面的层流流动是可能存在的。为后续压气机层流叶型设计提供数值验证手段和可行性验证基础。     

某超高负荷低压涡轮叶型气动性能分析

针对某系列Zweifel数约为1.6的超高负荷低压涡轮叶型,分别对其在定常来流条件下、上游尾迹扫掠条件下的二维流动开展了数值研究.计算结果表明,在低雷诺数、低湍流度工作环境下,叶片吸力面存在较大层流分离,且前加载叶型二维气动性能优于后加载叶型.同时,上游尾迹扫掠对超高负荷低压涡轮叶型分离流动控制作用有限,需引入新的流动控制方法.研究结果对超高负荷低压涡轮设计有较好的启示.     

B-C转捩模型的DDES方法模拟转捩大分离流动

根据零压力梯度平板的实验数据对B-C转捩模型中的经验关联式进行标定.标定后的B-C转捩模型在进口湍流度较低的平板算例上可以提供更合理的转捩预测结果.但受限于RANS方法自身特性，B-C转捩模型对转捩后出现的大分离流动计算可靠性较差.结合延迟分离涡模拟SA-DDES方法和B-C转捩模型，发展了转捩-延迟分离涡模拟BC-DDES方法.三维S-K平板的数值模拟表明，BC-DDES方法能得到与B-C转捩模型一致的转捩结果.三维圆柱绕流的数值模拟表明，BC-DDES方法得到与实验符合的平均阻力系数和表面压力分布，并且计算花费比tHRLES方法少.     

不同攻角下涡轮叶栅边界层分离再附的大涡模拟研究

本文采用三维可压缩N-S方程的大涡模拟方法,对低压涡轮叶栅T106A边界层的演化过程进行研究,分析攻角的变化对吸力面边界层的分离再附位置、分离泡长度等流动现象的影响。基于弦长和出口速度的雷诺数为1.1×10~5,出口马赫数为0.4。研究结果表明:来流攻角为+7.8°时,叶栅表面静压系数、吸力面边界层分离和再附位置与实验结果吻合较好;边界层分离后在三维不稳定性作用下依次形成Λ涡、发卡涡等结构,最终发生转捩;当来流从正攻角向负攻角变化时,吸力面边界层的分离点向下游移动,分离泡长度逐渐减小。     

几种典型流动条件对平板转捩过程影响的数值模拟

采用作者构造的k方程转捩湍流模型，数值模拟了较大跨度来流湍流度情况、不同来流湍流度时几种不同顺、逆压梯度存在情况、壁面存在不同热交换强度情况下平板的转捩流动过程．与实验结果对比表明，新模型具有较好地模拟转捩流动能力。     

叶型几何设计弱化叶片外表面换热的作用

本文采用γ-Re_θ湍流转捩模型,数值模拟了两组不同叶型的涡轮叶栅表面的表面换热系数。结果证明:1)数值计算正确地预测了转捩发生位置,保证了表面换热系数模拟的可靠性;2)由于叶片型线的差异,叶片表面流动的转捩位置也不同。控制叶片表面边界层流动状态,推迟流动转捩,能够降低叶片热负荷。在相同进、出口气流条件下,选择不同的叶栅造型参数,可以调整所产生的涡轮叶型,从而增强或弱化叶片表面的换热。     

逆压梯度下层流分离泡转捩的大涡模拟

本文采用有限体积法,发展了适合复杂几何边界条件的可压缩流动大涡模拟程序,通过对槽道湍流的计算,验证了程序的可靠性。对低雷诺数、逆压梯度环境中的层流分离泡转捩现象进行了数值模拟,分析了其统计特性及大尺度相干结构的演化规律．初步的结果表明:大涡模拟可以很好地处理层流分离泡转捩问题,既能给出满意的统计平均结果,又可以通过相干结构的演化细致描述分离泡转捩的动力学过程。     

低速轴流涡轮内部流动的大涡模拟

在低进口雷诺数下,低速轴流涡轮内部可能存在复杂的边界层转捩和分离流动。准确模拟边界层转捩和流动分离对低速轴流涡轮的气动设计具有重要意义。本文以某单级低速轴流涡轮为研究对象,采用大涡模拟方法对其在进口雷诺数为20000情况下的内部流动进行了数值模拟研究,并与前期采用全层流模型、S-A模型、Abu-GhannamShaw(AGS)转捩模型的模拟结果进行了对比,对比分析发现,大涡模拟结果与实验结果吻合更好,可以准确模拟该涡轮叶片吸力面的流动分离和叶片通道内的二次流动。由大涡模拟结果可以得出,静叶尾迹和分离使尾迹区的流体流动速度降低,但尾迹对流动角的影响较小。动叶入口低速微团在做周向运动的同时沿径向运动;高速微团主要沿周向运动。静叶叶片表面的分离流存在较大的由叶顶向叶根的径向的运动;动叶吸力面叶顶处也存在较大的分离流动.     

涡轮叶栅气热耦合数值方法与验证

应用三阶精度TVD格式和自由型曲面阿格技术,对涡轮内冷叶片进行气热耦合数值模拟.结合商用软件采用多种湍流模型计算方法的结果进行实验验证和对比分析,结果表明,商用软件采用传统湍流模型对温度边界层的模拟是不合理的,采用考虑转捩的湍流模型,调整转捩起始雷诺数,可以较好地模拟温度边界层的热传导.本文对非转捩区边界层温度的计算结果与实验结果吻合较好.     

低雷诺数下周期性尾迹／层流分离泡相互作用的大涡模拟

本文采用大涡模拟(LES)方法,对低雷诺数条件下周期性尾迹/层流分离泡的相互作用进行了数值模拟.计算域入口尾迹采用独立计算的平面尾迹流给出.对周期性尾迹作用下的层流分离泡进行了统计特性及瞬态流场分析,并与相同条件下的无尾迹流动进行比较.计算结果表明:在尾迹作用下,时均层流分离泡长度明显缩短,分离泡变小;相位平均的分离点/再附点随时间不断变化;从瞬态结果容易看出,尾迹诱导的流向涡结构是导致分离泡提前转捩的主要原因.     

无限展长后掠翼边界层定常横流不稳定转捩分析

采用γ-Re_θt横流转捩拓展模型对NLF （2）-0415无限展长后掠机翼进行数值模拟,重点分析来流雷诺数、机翼表面粗糙度及后掠角对边界层横流不稳定性的影响.研究发现γ-Re_θt横流转捩拓展模型能够准确预测边界层定常横流不稳定转捩,计算结果与试验数据吻合较好.结果表明来流雷诺数越大、机翼表面越粗糙,横流转捩位置越靠前;随着机翼后掠角的增加,转捩位置先前移随后逐渐靠后.     

一种新的k方程转捩湍流模型

本文在分析了针对充分发展湍流模型建立的k方程湍流模型模拟转捩流动的能力之后，构筑了一种新的Fμ函数及相应的k方程湍流模型．将该模型应用于数值求解NS方程，模拟了中等来流湍流度下零压力梯度平板捩报流动，并将部分计算结果与实验结果及经验关系进行了比较．     

低阶格式在大涡模拟计算中的适用性

采用三维Taylor-Green涡作为研究对象,利用工程中常用的低阶数值格式,研究格式本身的数值误差对大涡模拟计算的影响.结果表明:三种数值格式的数值耗散行为都与亚格子模型行为类似,即在小雷诺数下,流场比较光滑时,耗散很小,当雷诺数增加,流动转捩为湍流,流场梯度增大,耗散显著增大.对于MUSCL格式和二阶有界中心格式,在高雷诺数下,亚格子尺度模型没有明显改善计算结果,但也没有使计算结果恶化.中心格式相比其它两种格式,数值耗散最小,但是在高雷诺数湍流情况下,中心格式的数值耗散仍然主导了能量的耗散,再添加亚格子模型,计算结果反而变得稍差.对于工程中的低阶格式而言,采用中心格式计算大涡模拟是比较好的选择,而且在计算不存在稳定性问题时,采用不添加亚格子模型的隐式大涡模拟效果更好.     

粗糙度对压气机叶型性能影响的数值模拟方法研究

表面粗糙度对压气机叶型性能有重要的影响,但如何利用数值模拟方法还原粗糙度对叶型性能的影响规律仍是当前需要解决的问题之一。本文通过精细地设置叶栅对比实验,单独改变叶中区域特定位置粗糙度大小,从而得到了粗糙度大小对叶型性能的影响规律。以此实验数据为依据,分别通过改变湍流模型、壁面第一层网格高度、进口湍流度、等效沙砾粗糙度等参数,利用CFX数值模拟软件对粗糙度大小对叶型性能的影响展开了数值研究。结果表明,当叶表较为粗糙时,叶表边界层的发展状态对叶型性能有较大影响,所以数值模拟时应启用转捩模型而非全湍流设置。壁面第一层网格的高度应参考计算所选取的粗糙度大小。此外,在数值模拟时进口湍流度的准确获取也很重要。     

γ-Re_θ转捩模型在内部冷却叶片中的应用

燃气轮机内部通流冷却叶片的流动传热特性对于燃机的整体效率有着重要的影响,而叶片表面的转捩流场一直是阻碍对叶片冷却性能进行精确分析的主要因素.本文采用SST湍流模型及γ-Re_θ转捩模型对MARK Ⅱ叶型进行数值模拟,通过分析叶栅通道内传热特性以考察该转捩模型的适应性,肯定了该转捩模型对于湍流边界层发生位置判断的正确性,以及对转捩发生点上游叶片表面温度变化趋势的预测的正确性.同时本文指出γ-Re_θ转捩模型与湍流模型结合时可能存在对湍动能过渡抑制的问题,有待进一步研究.     

亚音叶型前缘形状对附面层参数影响

采用数值模拟方法研究了圆弧形、椭圆形和曲率连续无吸力峰前缘对叶型附面层发展的影响规律。通过提取不同工况下叶面附面层参数并结合叶表附面层速度型的变化,发现前缘吸力峰对叶型性能的影响本质在于吸力峰影响了附面层的起始发展状态。前缘吸力峰扩压参数D_(spike)过强会导致附面层起始发展状态恶化,造成提前转捩,甚至出现分离泡,叶表附面层迅速增厚,叶型损失增大,可用攻角范围减小。研究还表明,所设计的曲率连续无吸力峰前缘在任意工况总可以消除吸力面或压力面近前缘的吸力峰,从而使得叶表附面层的起始状态优于其它前缘叶型,因此气动性能要更好。     

应用GAO-YONG可压缩湍流模式数值模拟RAE2822翼型绕流

应用Gao-Yong可压缩湍流模式,数值模拟RAE2822二维翼型在两种不同来流情况下的跨音速粘性绕流问题.湍流模式的对流项用ROE格式离散,扩散项用中心差分格式离散,空间离散后的控制方程用多步Runge-Kutta显式时间推进格式求解.计算结果预测了翼型表面的压力系数的分布、平均速度剖面、激波的位置、马赫数等值线等情况.同时,对翼型表面激波与边界层相互干扰以及转捩问题进行分析计算,结果表明,Gao-Yong可压缩湍流模式结合适当的数值方法能够成功地模拟翼型跨音速粘性流动.最后,基于Gao-Yong可压缩湍流模式各项异性湍流粘性的机理,初步提出一种预测转捩起始位置的方法.     

无限薄平板边界层前缘感受性过程的数值研究

在边界层流中层流向湍流转捩机理的研究一直是人们所关注的重要理论课题之一.感受性阶段是边界层内整个转捩过程中的初始阶段,它在层流向湍流转捩过程中起着关键性的作用.但是,在过去的边界层前缘感受性研究中大多数都是针对外部声波小扰动,很少见到考虑在自由流中普遍存在的自由来流湍流作用下边界层内诱导前缘感受性问题的相关报道.本文采用直接数值模拟的方法,研究自由来流湍流与无限薄平板前缘驻点扰动作用下边界层流中前缘感受性过程的内在机理.数值结果发现,在自由来流湍流与无限薄平板前缘驻点扰动作用下边界层流中能被感受出一组小扰动波,且它们的色散关系、增长率、中性曲线等结果都与流动稳定性中的线性理论获得的理论解相一致,由此可知在边界层内被激发产生的一组小扰动波就是Tollmien-Schlichting波,这也证明自由来流湍流与无限薄平板前缘驻点扰动相互作用是激发边界层流中前缘感受性过程的另一种物理机理;另外,还探讨了自由来流湍流度以及自由来流湍流的运动方向对无限薄平板边界层前缘感受性过程有何影响等.总之,开展边界层前缘感受性过程的深入研究,有益于完善流动稳定性理论,将为层流向湍流转捩过程的预测提供合理的理论依据.     

压气机叶片附面层转捩的试验研究

本文利用新式的表面热膜系统测量了一组大转折角压气机叶片吸力面附面层的准剪切力分布,系统地研究了不同雷诺数下叶片吸力面边界层的自然转捩过程.试验结果表明:低湍流密度下,转捩区域并不随着雷诺数的改变而变化,雷诺数在3.4×104到8.4×104的范围内,下边界层都是从距离叶片前缘点约40%弦长位置处开始转捩,转捩完成区域位于距离尾缘约30%弦长位置.     

基于层流动能湍流模型的数值模拟方法

从层流动能出发提出数值模拟原则;综合考虑自然、旁路和分离流转捩的因素构建实用的层流动能湍流模型,结合预处理和基本求解技术发展出适于转捩流动的数值模拟方法和程序.针对预处理技术,以Weiss-Smith矩阵为基础,考虑湍流粘性的影响;针对基本离散格式和边界条件,结合模型方程进行对角占优强化等特殊处理.最后通过平板边界层和典型翼型,特别是低雷诺数翼型的数值模拟,验证数值方法的有效性和鲁棒性.算例表明本文的方法能够为求解更复杂的流动提供参考.