冷气喷射对缩放型流道涡轮叶栅性能及流场影响的数值研究

本文利用数值模拟方法详细研究了缩放型流道叶栅中从六个不同轴向位置处以不同的质量流量比喷射冷气对叶栅流场性能的影响,对比分析了能量损失系数、叶表静压分布、流道内马赫数分布等,结果表明冷气喷射对叶栅性能的影响和内伸波的影响是不同的。叶栅性能的变化主要是由于冷气喷射导致叶型损失的变化引起的,当冷气从吸力面内伸波作用位置附近及前缘滞止线附近喷射时,冷气与主流的掺混剧烈且持续到叶栅出口处,使得叶栅损失增加;当冷气从压力面和吸力面喉口位置处射流时,叶栅损失减小。在吸力面内伸波反射点附近射流时,由于冷气的滞止作用使得冷气孔前的压力增大,进而减小内伸波前后压差,减弱内伸波强度。     

富燃燃气热物性对气膜冷却特性影响数值研究

为明晰富燃燃气物性变化对气膜冷却的影响规律,本文分别构建了不同热导率的定物性模型和考虑化学平衡的变物性模型,通过数值求解定常RANS方程,获取了定压比热和热导率变化对温度和热负荷分布的影响效应。结果表明：相比于定物性模型,变物性下富燃燃气与冷气的掺混导致混合气比热和热导率降低,近壁区域平均温度最大增加2.557%、热流最大降低24.995%;混合气物性变化引起近壁区剪切应变率降低,冷气与主流剪切形成肾型涡强度减小,冷气耗散变慢,气膜覆盖性变好。     

封严腔几何特征对涡轮性能的影响

在涡轮转静叶片排之间喷入冷气可以阻止高温燃气进入盘腔,但是冷气与主流的掺混损失对涡轮气动性能不利。本文采用数值计算的方法,研究了转静叶片排之间封严腔轴向位置和轴向间隙的变化对涡轮性能和端区流动的影响。结果表明,封严出流与主流的剪切作用形成了诱导涡,诱导涡随后发展成为通道涡并占据了端区二次流的主导地位。封严腔轴向位置和轴向间隙的改变使等熵效率和封严效率产生了相反的变化,因此在设计时要兼顾气动性能和冷却要求进行综合考虑。     

气膜孔内流动结构对冷却效率的影响

涡轮叶片气膜孔内的流场结构对气膜射流下游的流动有着明显的影响。本文应用数值模拟的方法计算了平板上四种气膜冷却结构的孔内涡流场,从而分析气膜孔内涡结构对气膜冷却效率的作用规律。结果表明:当射流进入气膜孔并发生偏转时,气膜孔内会生成不同强度的旋转涡对;此对涡会导致气膜孔内射流能量的损失,并对主流内的肾型涡产生作用。当孔内涡对与主流肾型涡转向相同时,主流肾型涡湍流强度增加,气膜冷却效率下降;反之,当孔内涡转向与主流肾型涡相反时,主流肾型涡湍流强度降低,气膜冷却效率提升。通过对孔内涡结构的优化,文中所提的两种气膜孔改型结构能够有效地提高气膜冷却效率。     

冷气条件对涡轮转子凹槽叶尖泄漏控制的影响

通过数值模拟方法对涡轮转子凹槽叶尖泄漏流动进行研究,分析了冷气条件下凹槽腔内流动结构,研究了气冷凹槽叶尖控制泄漏损失机制,并探讨了凹槽叶尖泄漏损失对凹槽深度、间隙高度和肋条宽度的敏感度。结果表明在有冷气条件下,凹槽叶尖主要通过刮削涡降低控制叶尖泄漏损失;冷却射流在凹槽腔内形成的肾型对涡结构与腔内流动相互作用,减弱了刮削涡对泄漏流的控制作用,并降低了凹槽叶尖泄漏损失对凹槽深度的敏感度。     

凹槽叶顶冷气射流对涡轮叶尖泄漏流动的影响

涡轮叶尖泄漏流动对涡轮通道内流动损失有着显著影响,叶顶冷气射流对控制叶尖泄漏流动和改善涡轮叶尖气热性能有重要意义。本文利用数值模拟方法,研究了叶顶冷气喷射位置和喷射流量对高压涡轮凹槽叶顶间隙泄漏流动控制的影响。文中重点分析了泄漏流动结构及涡轮气动效率的变化,探讨了冷气对刮削涡这一间隙内主控流动结构演化的影响。研究表明,冷气孔位置的变化对间隙内刮削涡的演化造成了一定影响,但并未造成涡轮整体效率的较大变化;而冷气喷射流量不仅影响到刮削涡结构演化,而且导致了涡轮级效率近0.5%的变化。     

轴流风扇叶片端导叶作用的研究

本文采用数值方法研究了叶片端导叶对轴流风扇性能的影响。通过与普通开式轴流风扇比较,分析了叶片端导叶对内部流动作用的机理.数值计算结果表明:叶片端导叶的安装位置将影响轴流风扇气动效率,安装叶片端导叶不能提高风扇静压升,但是在压力面安装时能有效地减小风扇叶顶泄漏流与主流的掺混损失;在设计流量下,压力面安装叶片端导叶使泄漏涡的作用范围较小,涡核更靠近吸力面;吸力面安装叶片端导叶弱化了泄漏涡的强度但没有减小泄漏涡的作用范围。     

非设计攻角下气膜冷却掺混损失模化研究

气膜冷却能够对涡轮叶片表面起到良好的保护作用,但是在非设计状态下,边界层、冷气与主流的相互作用对涡轮气动性能产生不利影响。采用数值模拟的方法,研究了不同来流攻角下冷气的气动参数对掺混损失的影响规律。根据冷气与主流的动能比将主流与冷气的掺混过程分为低吹风比和高吹风比两种典型的模式。当动能比大于1时,掺混损失与动能比存在着线性关系;当动能比小于1时,掺混损失与吹风比存在着线性关系。基于主流与冷气不同的掺混模式并考虑攻角的影响,发展了一种预测非设计攻角下掺混损失的模型进行了初步验证。结果表明,大部分工况下掺混损失的预测结果与数值模拟结果的偏差在10%之内。     

复合冲击和复合旋流冷却特性的对比研究

针对应用旋流冷却和气膜冷却对涡轮叶片前缘区进行冷却系统设计的科学命题,首次建立了包含冷气腔、冲击/旋流腔、气膜孔和燃气主流通道的复合冲击和复合旋流冷却模型,利用数值方法在相同几何和气动条件下对比了复合冲击和复合旋流冷却的流动换热特性.研究结果表明:冲击孔/旋流喷嘴流量沿X方向逐渐增大,吹风比沿X方向先增大后减小.复合冲击冷却的气膜孔流量和吹风比沿X方向略有增大,复合旋流冷却气膜孔流量和吹风比沿X方向减小.复合旋流冷却平均Nu比复合冲击冷却提升13.0%.气膜孔会扰动冷气流动,使附近小范围区域Nu提升.与复合冲击冷却相比,复合旋流冷却气膜孔的冷气流量和速度大,肾型对涡强度高,绝热气膜冷却效率减小.     

高负荷对转压气机尾迹涡对叶顶泄漏流的影响

采用三维非定常数值模拟方法,针对高负荷对转压气机低压转子尾迹脱落涡对高压转子叶顶泄漏流的影响开展研究。研究发现:低压转子尾迹涡以"对涡"的形式在高压转子通道中输运,顺时针与逆时针旋向尾迹涡间隔分布,对叶顶泄漏流与主流交界面法向动量产生不同影响,进而使叶顶泄漏流与主流交界面形状呈现波浪形。设计工况下,尾迹涡会使叶顶泄漏流与主流交界面的位置偏向吸力面以及后移结尾激波位置进而后移二次泄漏流产生的位置,减小压力面与吸力面结尾激波入射点之间弦长区域叶顶泄漏流与轴向的夹角,提高相应弦长区域叶顶泄漏流的轴向速度,减小高压转子叶尖区的堵塞,降低二次泄漏流产生的损失,进而提升高压转子叶尖区的等熵效率。     

前缘弯掠斜流转子叶顶间隙流动特性数值分析

本文对前缘弯掠斜流转子叶顶间隙内的流动特性进行了数值分析。结果表明:叶顶间隙气流与主流发生卷吸而生成泄漏涡。泄漏涡作用的区域具有较低的压力分布。在叶片通道内,泄漏涡沿着与转子旋向相反的方向朝相邻叶片的压力面移动。大间隙时的泄漏涡比小间隙时强烈。低流量时泄漏涡的作用区域比高流量时大。在各种流量特性下,叶顶尾缘近吸力面区域都存在着二次间隙流。     

空调风机叶道内旋涡流动分析及进气口偏心的影响

本文采用CFD方法,详细分析了空调用多翼离心风机叶道中的气流分布以及进气口偏心的影响。研究表明,风机叶道内存在大范围的气流分离现象。在后盘附近,存在分离现象的叶道约占2/3,主要分布在蜗壳内侧;而在“前盘”附近,几乎所有叶道都存在分离现象。在“前盘”附近,蜗舌下方的叶道中气流几乎停滞,蜗舌下游叶道为回流和尾缘旋涡所充满,至临近蜗壳出口侧,前缘旋涡逐步形成、发展并融合尾缘旋涡,最后衰减、消失。风机进气口向蜗壳内侧偏置适当距离, “前盘”附近叶道旋涡分布范围明显减小。     

前缘弯掠子午加速叶轮尾缘脱落涡的研究

本文采用DPIV实验研究方法,在不同转速工况下,对开式前缘弯掠子午加速风扇转子叶尖涡在叶轮尾缘的脱落流动现象进行了测量.结果表明:在不同转速下,转子尾缘处均存在明显的叶尖涡流动现象.该叶尖脱落涡流动现象具有相似性,随着转速的增大,叶尖涡区和吸力面之间的径向速度差增大,叶尖涡强度随转速增加而增强.随着转速的增大,叶尖涡和主流相互作用加剧,涡量负值增大,叶尖涡影响区域也逐渐扩大.径向速度梯度同样随转速增大而增大的结果,增强了叶尖涡对尾迹区作用的影响.最后,本文通过CFD对该开式风扇叶尖涡流动现象进行模拟,其结果给出了相似的叶尖涡在转子尾缘脱落流动现象,为前缘弯掠开式子午加速风扇在户室中央空调室外机上的应用和风机系统的优化设计及其降噪研究提供了重要的内流数据.     

Visualization of tip vortex flow in an open axial fan by EFD

The behavior of tip vortex in an axial fan without casing wall (called open axial fan) was discussed and analyzed. The velocity measurement was performed by using two-components Laser Doppler Velocimetry (LDV) system. The detailed velocity and vorticity distribution inside blade passage and downstream of rotor were obtained. Thus the structure of tip vortex and its behavior were graphically visualized by experimental fluid dynamics (EFD). The tip vortex flow trace was indicated with the calculation of vorticity. As a result, it was found that tip vortex was generated at blade tip region near leading edge and it extended to downstream of blade exit with its core tending inward to hub direction. In addition, leading edge vortex was also found at the forepart of the experimental open fan.     

空调器新型轴流风扇叶尖涡的研究

本文采用Navier-Stokes方程和Spalart-Allmaras湍流模型,对只在叶轮尾缘带有导流罩的低压轴流风扇进行了三维稳态内流模拟,详细分析了叶顶流场中叶尖涡的产生和发展轨迹。研究结果表明,叶尖涡在距叶尖前缘约1/4叶顶轴向弦长的吸力面附近形成,在叶轮出口附近消失,在切向约占3/4流道,近似形成一个涡环,阻塞主流.在回转面上,叶尖涡涡核先沿流线方向发展,在导流罩附近逐渐转为切向方向发展;在径向方向,叶尖涡先沿外径方向发展,在导流罩附近转向内径方向移动。空调室外机系统的不对称结构引起叶尖涡在叶轮旋转过程中的相对位移.流量的变化对叶尖涡的轴向位置影响较大,而对其径向位置的影响不明显;小流量时叶尖涡的轴向移动能力减弱,切向移动能力增强,消失位置向前缘方向移动.     

Experiments on the unsteady flow field and noise generation in a centrifugal pump impeller

This paper reports on an experimental investigation of large-scale flowfield instabilities in a pump rotor and the process of noise generation by these instabilities. Measurements of the fluctuating components of velocity and surface pressure were made with hot-wire probes and surface mounted pressure transducers on a seven bladed back swept centrifugal water pump impeller operating with air as the working fluid. The impeller was operated without a volute or scroll diffuser, thereby eliminating any sound generation from pressure fluctuations on the volute cutoff. Thus the study focused on flow field and noise components other than the blade passage frequency (and its harmonics). The primary goal of the study was to provide fundamental information on the unsteady flow processes, particularly those associated with the noise generation in the device. It was further anticipated that detailed flow measurements would be useful for the validation of future computational simulations.The measured data at the discharge show a jet-wake type of flow pattern which results in a strong vorticity field. The flow with high velocity found on the pressure side of the impeller tends to move to the low-pressure region present at the suction side of the passage as a form of roll-up around the blade trailing edge. This motion causes an unsteady flow separation at the suction side of the blade and consequently disturbs the flow in the adjacent passage. By interacting with the impeller blades near the trailing edges, this instability flow causes a periodic pressure fluctuation on the blade surface and generates noise by a trailing edge generation mechanism. The spectrum of surface pressure measured at the trailing edge of each blade reveals a cluster of peaks which were identified with azimuthal mode numbers. The correlation between the acoustic farfield pressure and the surface pressure on the impeller blade has proven that the azimuthal modes synchronized with the number of impeller blades generate noise much more efficiently than the other modes. The paper also clarifies the correlation between unsteady flowfield measurements, in both impeller and laboratory co-ordinates, with the radiated noise properties. Thus some light is shed on the noise generation mechanisms of this particular device.     

叶顶端翼提升主动襟翼叶型气动性能的数值研究

本文在振荡来流条件下,数值模拟叶顶端翼对加装主动Gurney襟翼的垂直轴风力机叶片非定常气动特性的影响。采用NACA0015翼型的直叶片,并在尾缘前6%弦长位置安装主动襟翼。在最大出力工况(折合频率为0.1)下,对比原型叶片,加装主动襟翼叶片的切向力系数提高了4.47%,安装有叶顶端翼的主动襟翼叶片的切向力系数提高21.18%。通过比较叶片端部涡结构分布,发现叶顶端翼不仅阻止了叶片压力面及吸力面的叶梢涡分支在尾缘处汇合,同时也隔断了主动襟翼产生的角涡与叶梢涡的融合,有效的降低了叶片端部损失,提升了风力机的整体性能。     

近失速状态轴流压气机转子内尖区三维流动结构

用激光测速系统测量了低速大尺寸单级压气机近失速状态转子内尖区三维流场。结果表明泄漏流在转子进口开始产生,泄漏涡约在１０％弦长最强,并迅速向压力面和低叶高方向移动,沿程造成高紊流和高阻滞。叶尖吸力面附面层发生分离,迫使角区低能物质和旋涡在下游逐渐向通道中部移动,造成转子出口尖部通道中部大面积流动阻塞和紊流脉动。角区旋涡及泄漏涡影响区域紊流强度较高,其中径向分量最高,远大于轴向和切向分量。前缘马蹄涡压力面分支存在于转子进口叶尖压力面角区,并迅速向低叶高和通道中部移动,约在２０％弦长和泄漏涡交汇。     

高负荷压气机叶栅分离与流场结构研究

通过流动显示及静压测量,对不同冲角下、三种叶型弯角的环形压气机直、弯叶栅近壁面区域的流动分离及旋涡结构进行了实验研究.结果表明,近吸力面的气泡分离与转捩取决于叶栅型面静压分布;随叶栅负荷增大,流动分离形式由闭式分离逐渐向开式分离发展,流动分离的对称性逐渐减弱;减少涡系与涡系、涡系与附面层之间的相互作用及掺混可以有效拓宽正弯叶片的应用范围.     

离心压气机叶排间涡脱落及气流脉动行为研究

对某一带叶片扩压器跨声速离心压气机内部三维非定常流场进行了数值模拟,依据计算结果描述了叶轮叶片尾缘尾迹涡脱落行为,给出了叶轮尾缘脉动压力频谱特性图和叶轮出口位置脉动速度动能分布图。研究结果表明,主叶片与分流叶片尾缘尾迹涡脱落过程交替进行;转静干涉和转子叶片尾缘的涡脱落行为是造成叶轮尾缘气流脉动行为的主要原因,随着时间的...