有大分离的压气机高压级静叶分离涡模拟研究

将分离涡模拟方法应用于高雷诺数压气机静叶有大分离的复杂流动计算中,研究该方法对分离的模拟能力.采用约280万网格,SA计算仅能得到定常结果.DES计算在叶片中部小分离区域,所得到的非定常波动较弱,尾迹掺混略慢于SA,结果整体上与SA类似.在叶片端壁附近有大分离的区域,DES结果捕捉到了明显的非定常现象与压力波动,计算表明吸力面涡脱落会加强掺混,而端壁分离则会加强尾迹.另外,DES计算比SA更详细地描述了涡结构.这表明DES有比SA更好的模拟大分离的能力.计算结果也加深了对静叶角涡与尾迹发展的认识.     

DES模型在压气机亚音转子中的应用探讨

本文运用分离涡模拟(DES)方法研究了不同工况下压气机亚音转子的流动情况,分析了其时均与瞬时流场中顶部间隙泄漏流动和根部角区的流动分离.通过与S-A模型计算结果的对比表明,DES模型在模拟顶部泄漏流动及二次泄漏、泄漏流在转子下游与尾迹的干涉时能够捕捉到更强的旋涡结构,在模拟转子根部角区的分离时也能获得更为丰富的流动现象.对不同工况的DES计算表明负荷的上升会使泄漏涡形成的位置向上游移动,从而导致并加剧二次流动,并对叶栅下游泄漏涡与尾迹的干涉产生影响.对设计工况下瞬时流场的分析表明,泄漏涡在叶栅下游体现出周期性的强弱变化,近叶根分离区也体现出明显的非定常性.     

间隙高度对涡轮叶顶间隙流动的影响

叶顶间隙流动是导致涡轮动叶中产生流动损失的主要原因之一.对某动力涡轮第一级内三维流动的数值计算结果表明,流体在经过动叶叶顶间隙以后在约25%叶顶轴向弦长处(τ=3mm)在叶顶与吸力边夹角处卷起形成间隙涡,造成流动阻塞,同时在间隙内叶片顶部10%叶顶轴向弦长处(τ=3mm)开始在压力边出现叶顶分离涡,使得间隙流动损失增加.随着间隙高度增大,通过间隙的流量增加,间隙涡形成位置后移,间隙涡、叶顶分离涡尺寸变大,在流道内影响范围增大,导致流动损失变大.     

非设计工况下叶栅分离流动的非定常特性

本文针对非设计工况下叶栅的分离流动进行研究。基于任意曲线坐标下的N-S方程,对不同攻角下单排叶栅的流动分离情况进行数值分析。计算结果表明,在零攻角和较小的负攻角情况下,流动基本呈现定常流动的特性。在正攻角情况下,特别是随着正攻角的加大,流动呈现明显的非定常流动特性,如大分离和涡的脱落现象等。     

基于流动损失权重分配的扩压叶栅弯叶片优化探究

本文采用经过实验校核过的数值模拟方法研究了CDA叶型的矩形扩压叶栅旋涡结构与流动损失之间的权重关系,并以此为指导进行叶片周向弯曲优化设计,改善叶栅气动性能.结果表明:原始叶栅中集中脱落涡所影响区域的总压损失权重占总损失的60%,并通过对该旋涡结构所对应的分离区域的拓扑分析确定了叶片周向弯曲的弯高、积叠线控制点和弯角数值.叶片周向弯曲的作用将该分离区从角区闭式分离转变为开式分离,同时降低叶片根部负荷,改变横向和径向压力梯度分布.优化叶栅降低了集中脱落涡所占的总压损失权重41.3%,最终降低了出口截面质量流量平均的总压损失系数2.55%。基于旋涡结构的流动损失分配权重分析方法有效地提升了叶栅气动性能,大大地缩短了叶栅流场优化设计周期,据有可观的工程应用前景。     

导叶展弦比对部分进气涡轮性能影响的数值研究

本文针对导叶展弦比对部分进气涡轮性能的影响进行了数值研究。结果表明:转子前缘靠近导叶吸力面边界处流动发生分离形成分离涡,使得损失增加;展弦比增加能增加进气区转子前缘靠近导叶吸力面处主流速度,进而降低分离涡强度并降低部分进气效应对进气区中心区域流动的影响,改善进气扇区中心区域流动,从而减少损失提升效率。与此相反,叶高、稠度不变时展弦比增加使得叶片数增加,叶型损失增加,且进气度越大,叶型损失增加量越大。当进气度小于50%时,进气扇区较小,展弦比增加诱发的分离涡强度降低的作用效果明显强于叶片数增加的影响,二者的综合作用使得涡轮效率得到提升;当进气度大于50%以后,分离涡对进气扇区中心区域的影响降低,分离涡强度的降低仅能改善进气区边界靠近导叶吸力面处的流动状态,但此时叶片数增加导致的叶型损失会显著增加,二者的综合作用导致涡轮效率提升的幅度降低。     

扩压叶栅二维流动分离的数值模拟

通过数值模拟,研究了二维扩压叶栅内流动分离及涡脱落的特征.定常计算结果表明:随着叶片负荷的增加,流场中奇点数目明显增加.非定常计算结果表明;在二维扩压流场中存在尾缘脱落涡和吸力面脱落涡两种脱落涡,它们的脱落频率随着冲角和马赫数的变化而变化.     

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.     

动叶围带顶部泄漏流动对透平级气动性能影响的数值研究

采用计算流体动力学软件CFX-TASCflow数值研究了带围带的动叶顶部间隙内泄漏流动对动叶流动效率以及下一级静叶进口气流角的影响特性.数值模拟了装有不同迷宫式汽封齿数时的动叶顶部间隙泄漏流动特性.揭示了泄漏流动不再是跨叶顶的横向流动,而是在叶顶间隙内沿着轴向流动.给出了动叶顶部间隙泄漏流场的结构,泄漏流与主流掺混后的流场对下游静叶性能的影响.研究结果表明泄漏流与动叶通道内的主流在动叶下游掺混后,改变了上半通道气流的流动方向,使这部分气流偏离设计工况,使下游静叶产生攻角损失.动叶顶部间隙泄漏流有较大的径向速度,在与主流掺混并进入动叶下游静叶后,会向着静叶中叶展处发展,改变静叶上半部流场的结构.动叶顶部间隙汽封齿数增多时这种效果就减小,静叶等熵效率的降低就越少,同时讨论了动叶顶部间隙泄漏流动对透平级气动性能的影响.     

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.