跨音压气机中非结构网格自适应的研究

跨音压气机中存在激波/边界层相互干涉、激波/叶尖泄漏涡相互干涉等复杂流动结构,为了实现高精度的数值模拟,精细的捕捉到激波以及叶尖泄漏涡附近的流动结构,从而探究其复杂的流动机理,本文发展了非结构网格自适应技术,其可以自动的加密关注流动特征附近的网格,从而实现对激波、叶尖泄漏涡及激波与其他流动现象相互作用的流动结构的精细捕捉。本文将网格自适应技术应用于RAE-2822翼型二维激波算例以及真实跨音速压气机Rotor-37算例的数值模拟中,计算结果表明网格自适应技术能自动的捕捉到激波、叶尖泄漏涡及其与其他流动现象相互干涉的精细流动结构。     

机匣周向槽抽吸影响跨声速压气机转子性能的数值研究

利用数值模拟的方法对跨声速压气机模拟分析。针对叶尖流道中因激波及叶尖泄漏涡等导致的复杂二次流动,利用叶尖周向抽吸槽改善跨声速压气机叶尖流动状态。其结果表明:在近失速工况下叶尖周向抽吸槽有效削弱了叶尖低能损失流动,在合理范围内大流量抽吸会使抽吸效果更好。     

离心压气机叶尖间隙泄漏流动数值研究

采用离心压气机计算机辅助设计系统,设计了一个离心压气机叶轮,对这一叶轮在不同叶尖间隙下内部流场进行了数值计算。给出了不同弦长截面二次流矢量、二次流流以及机匣壁面极限流线等计算结果。结果表明叶尖间隙的大小与泄漏流动的强度密切相关。分流叶片的泄漏流动随着叶尖间隙的增大而增强。通道涡与合适的叶尖间隙所形成的泄漏涡相互作用可以削弱泄漏强度,改善流动。     

跨音压气机转子近失速工况叶尖非定常流动分析

对跨音压气机Rotor35进行单通道全三维定常/非定常数值模拟,并与试验总性能和流场分布对比校核了数值计算精度。以此为基础开展的近失速工况点的非定常计算发现,来自相邻叶片通道未形成泄漏涡的间隙泄漏流体与来流、激波与泄漏涡干涉形成的低能破碎区相互作用形成了叶尖二次涡。叶尖二次涡向下游运动过程中,其所处的位置和产生的阻塞影响了近叶顶载荷的分布,最终使得叶尖部流场出现了循环往复的自维持的非定常波动现象。     

具有叶尖小翼的压气机叶栅间隙流动分析

采用数值模拟方法对利用不同安装方式叶尖小翼控制压气机叶栅间隙流动进行研究。结果表明,不同安装方式叶尖小翼都可以有效降低叶顶泄漏流速,削弱泄漏涡强度。叶尖小翼改变了叶尖负荷及泄漏涡运行轨迹,进而影响了叶尖流场不同涡系之间的相互作用。吸力面小翼削弱了泄漏涡,抑制了通道涡的发展,使得叶栅总损失降低。压力面小翼及组合小翼削弱了泄漏涡,但增强了通道涡及其与泄漏涡之间的相互作用,叶栅总损失增加。     

轴流压气机转子内流数值模拟及叶顶间隙泄漏分析

本文数值求解N—S方程和Euler方程对比分析单转子轴流压气机内部流场、计算较好地预测了压气机的平均流场及叶尖泄漏涡的生成演化过程。为分析泄漏流动的成因，本文采用简化模型计算泄漏速度。计算与实验结果的时比表明，泄漏流动是无私流动，粘性主要表现为对涡的衰减；泄漏流动由叶片两侧的转了静压控制，粘性在叶片两侧作用持平；给定叶片两侧的转子静压即可由Bernoulli方程求出泄漏速度。     

单转子压气机设计状态和近失速状态出口三维紊流流场

用单斜丝详细测量了单转子压气机设计状态和近失速状态转子出口的三维素流流场。结果表明，设计状态叶尖泄漏涡和端壁附面层的掺混是造成尖部流动损失、气流阻塞和亲流脉动的主要原因。近失速状态流动三维性和非定常性较强；尖部吸力面角区轴向速度最低、相对动能损失最大；吸力面附面层径向潜移、叶尖吸力面角区低能团周向潜移及其输运的低能物质在尖部通道中部与叶尖泄漏流、泄漏涡、刮削涡发生掺混，造成尖部大范围的高损失区；根部和尖部吸力面阻面层局部发生分离。     

压气机转子三维紊流流场

在低速大尺寸压气机试验台上，用单斜热丝、高频压力探针及由旋转四坐标全电动探针位移机构带动的五孔气动探针，测量了单级压气机转子出口和单转子压气机叶片通道尖区在不同流量状态下三维平均和亲流流场。设计状态，叶尖泄漏涡的发展及其与端壁附面层的交混决定了尖区的流动特性。小流量状态，叶片吸力面附面层增厚，近失速状态尖部吸力面附面层发生分离，吸力而附面层内径向潜移强烈，叶尖吸力面角区产生大范围强旋涡，角区部分低能流体移向叶尖通道中部，与端壁附面层、泄漏涡、刮削涡及主流发生交混．     

涡轮转子凹槽叶尖控制泄漏流动的数值研究

明晰涡轮转子凹槽叶尖控制泄漏流动的物理机制,对凹槽叶尖结构优化和提升涡轮效率有重要意义。本文数值研究了跨音速高压涡轮凹槽叶尖的泄漏流动特性,对比分析了其与平叶尖泄漏损失和流动结构的差异,并研究了凹槽腔内流动结构改变对泄漏流动的影响。结果表明,凹槽叶尖对泄漏流动的堵塞分两个区域,分别受吸力侧空腔涡和削刮涡影响,改变外机匣相对转动速度会影响凹槽腔内流动结构的范围和强度,进而影响泄漏流动特性。本文的研究结果可为凹槽叶尖的设计提供指导。     

超高负荷串列转子尖部流场结构的实验和数值研究

串列转子尖部存在着前/后叶叶尖泄漏流以及前叶尾迹等流动,流动结构较为复杂,准确判断这几股流动之间的相互作用成为分析流场的关键。本文分别通过实验和数值模拟方法对基于北京航空航天大学低速大尺寸单级压气机试验台设计的一套超高负荷串列转子尖部流场进行了研究。研究结果表明：对于本文所研究的高负荷串列转子,无论是在设计点还是近失速点,前叶叶尖泄漏涡在前叶出口时都已经到达前叶压力面附近,随后紧贴后叶吸力面从喉道进入后叶通道,在喉道内顺压梯度的作用下,前叶叶尖泄漏涡的旋涡特性增强,并在后叶通道内将相对较弱的后叶叶尖泄漏涡吞并;相对于常规布局转子,由于在前后叶喉道顺压梯度的作用下,串列转子内叶尖泄漏涡的稳定发展阶段都有所延长,这有利于减小叶尖泄漏涡造成的转子尖部流动堵塞。     

轴流压气机转子叶尖泄漏涡和尾迹在静子尖区的传播

用三维激光多普勒测速系统测量了轴流压气机设计状态转子叶尖泄漏涡和尾迹在静子尖区的传播过程。结果表明,转子叶尖泄漏涡和转子尾迹周期地扫过静子通道尖区,导致该区出现周期性的流动阻塞和脉动。转子尾迹在静子通道内追赶上从前一转子叶片通道内下来的叶尖泄漏涡,二者的相互作用和掺混导致静子尖区更为复杂的二次流动。同转子尾迹相比,转子叶尖泄漏涡对静子尖区的影响更为明显和深远。静叶尾部吸力面出现流动分离,分离流同低能物质之间发生相互作用和掺混。     

叶尖小翼对扩压叶栅气动特性影响的数值研究

通过在叶片顶端加装小翼来降低叶顶二次流的叶尖小翼技术在叶轮机械领域受到关注。本文对具有不同叶尖小翼方案的压气机叶栅进行了全三维数值模拟,并详细分析了叶尖小翼对叶顶间隙流场的影响.结果表明,合理选择叶尖小翼的安装位置及自身宽度可以在一定程度上降低叶顶泄漏损失,在叶顶吸力面侧加装宽度为5 mm的小翼可以较好的削弱泄漏流动的强度,减少泄漏涡卷吸起更多的吸力面/端壁角区的低能流体及较早地阻止上通道涡的形成和发展。     

扩压叶栅叶顶间隙流动结构研究

本文对某扩压叶栅叶顶间隙流动结构进行了研究,通过三维数值仿真,对叶顶间隙流场中的旋涡结构构成、空间分布及相互作用关系进行了分析.研究采用Q判据识别流场中的涡,发现叶顶间隙气流的泄漏流动形成了叶尖分离涡、二次涡以及泄漏涡等旋涡结构,其空间位置及空间尺度具有明显差别。叶尖分离涡的堵塞作用对泄漏涡的强度、空间位置造成影响;在叶顶泄漏流动与泄漏涡的共同作用下形成了叶尖二次涡。涡系间存在的相互作用共同构成了叶顶间隙流场框架。     

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。     

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。     

对转压气机叶顶间隙涡非定常数值研究

以双排对转压气机为研究对象,研究了叶顶间隙对对转压气机性能参数的影响规律。针对大叶顶间隙时对转压气机性能严重恶化问题,从非定常的视角刻画了大叶顶间隙下,工作点变化对其内部流动特征的影响规律,结果表明:随着流量减小,对转压气机中上、下游转子叶尖泄漏涡非定常波动均有增强趋势,下游转子首发失速是对转压气机流动失稳的主要诱因。小流量工况下,叶顶主间隙泄漏涡与次泄漏涡的非定常干涉是下游转子内部非定常波动的主要成因;该工况时,下游转子叶顶间隙涡非定常周向波动强度强于径向波动强度,其影响范围也主要表现在叶顶前缘50%弦长范围内。频谱分析显示,上游转子叶尖泄漏涡非定常波动频率略小于下游转子区,下游转子区静压波动幅值约为上游转子的5倍。     

轴流压气机时尖泄漏涡的时均流动

用三维激光多普勒测速系统测量研究低速大尺寸单级压气机设计状态转子内尖区流场．结果表明，泄漏流在气流一进入转子叶片通道就开始发生，发生于前半弦长，其诱导形成的泄漏涡约在30％弦长处达到最强，随后逐渐衰减，其涡核顺下游慢慢向压力面方向和低时高方向移动，涡核在转子出口移至通道中部．泄漏涡影响区域沿流向逐渐扩大，并向压力面方向和低叶高方向移动．设计状态叶尖泄漏涡在转子尖区流动中起主要作用，是造成尖部流动阻塞的主要因素．     

吸力面小翼对扩压叶栅旋涡结构的影响

本文采用经过实验校核的数值模拟方法对某压气机动叶原始叶型和吸力面叶尖小翼叶型流道旋涡结构进行了详细分析.结果表明,原始叶栅流道中存在四个旋涡,即上通道涡、下通道涡、下集中脱落涡和叶顶泄漏涡。吸力面叶尖小翼的应用使得叶栅流道内的旋涡结构发生了变化,叶尖小翼抑制了叶顶泄漏涡的强度,从而使得上集中脱落涡得以出现,同时还使得叶顶泄漏涡的衍生涡被撕裂成两个衍生涡.正是由于叶尖小翼改变了叶栅流道内的旋涡结构,使叶栅流场的气动性能得到了改善.     

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。     

压气机转子叶尖泄漏涡的SPIV测量研究

在低速大尺寸单级压气机实验台上,利用SPIV技术测量了设计状态和近失速状态下压气机转子尖区多个截面的 三维瞬态速度场。基于瞬态场测量结果,详细分析了设计状态和近失速状态下压气机转子叶尖泄漏涡产生、发展、失稳、 破碎的演化过程。