旋转离心叶轮内部非定常流动实验研究

利用激光成像速度仪(PIV)测量了旋转离心叶轮内部的非定常流场,获得了旋转离心叶轮内部相对速度的非定常流场分布。详细分析了叶轮内部非定常流动现象和流动规律。通过实验研究发现旋转离心叶轮内部的流动是非定常,在叶轮出口处,叶片的吸力面与轮盖的夹角区存在一个低速区,并观察到了明显的射流/尾迹结构。射流区和尾流区的大小和范围在沿盘盖方向和跨叶片方向上是不同的。射流区和尾流区之间不存在明显的分界线。     

非均衡进气双面离心压气机流场差异分析

采用数值方法研究了在蜗壳内部和压气机进口非对称流场的耦合作用下,非均衡进气双面离心压气机周向流场结构的差异。结果表明:后方叶轮进口轴向速度在周向上存在着较大的差异,且其不均匀程度随流量增大而增强。叶轮不同叶片槽道出口射流-尾迹结构也存在差别,蜗壳内高静压区对应的叶片槽道尾迹区域增大。扩压器内周向静压分布形式与蜗壳内部相同,不同半径位置上静压分布的不均匀程度基本相同,但随着流量的减小,不均匀程度减弱。     

旋转离心叶轮与叶片扩压器间耦合流动的数值分析

以离心压气机内部动静部件耦合的非定常流场为研究对象，本文提出了动静耦合统一正命题型式，采用κ－ε紊流模型、同步计算动静耦合流场的方法，分别对下同流量工况下离心叶轮与叶片扩压器内部非定常流动进行了数值计算。计算结果与激光多普勒测量结果进行了比较：在设计工况下，离心叶轮与叶片扩压器相互匹配较好，而在非设计工况下，流道内流动趋向恶化。说明计算结果是有一定的可信度；计算结果同时说明，只有采用非定常算法，才有可能较好地描述动静部件耦合的流场。     

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...     

单级跨音压气机非定常伴随气动优化

在多排叶轮机械中,动静叶干涉会在流场中产生强烈的非定常效应。公开文献中现有的多排叶轮机械气动优化设计均采用基于混合平面法的定常模型,无法考虑流动的非定常特性。本文采用课题组自行开发的多排叶轮机械非定常伴随气动优化系统,对某单级跨音压气机动叶进行了非定常气动优化设计,优化过程中采用谐波平衡法高效求解非定常流场和非定常伴随场。优化目标为降低压气机级的进出口熵增,同时限制流量和压比不低于原始设计,并控制叶片最大厚度的变化幅度。优化结果表明,本文伴随气动优化系统能够高效地对多排叶轮机械进行非定常气动优化设计。     

使用确定应力模型研究离心压气机叶片相互作用

离心压气机叶轮和扩压器叶片间空隙很小,在无叶区和半有叶区的流动非定常特性十分明显。特别是离心叶轮出口通常的射流／尾迹流动使得有叶扩压器进口在时间、空间两个尺度上都存在十分强烈的不均匀性。叶轮和扩压器叶片间的相互作用,历来都被认为是影响离心压气机效率和稳定工作范围的重要因素。本文引入确定应力模型和改进的计算域延伸方法,计算了Ｋｒａｉｎ离心压气机组的流场,着重分析了叶轮出口无叶区、半无叶区等叶片间相互作用最强烈的区域的复杂流动现象。     

低速轴流涡轮非定常数值模拟的非线性谐波法

本文介绍了旋转机械非定常数值模拟的非线性谐波方法,并对某低速轴流涡轮的流场进行了数值模拟,获得了该涡轮通道内的非定常流场结构.在与实验结果及定常计算结果对比确认的基础上,分析了该涡轮动静叶间干涉与非定常流动特性,并比较了谐波阶数和工质的压缩性对计算结果的影响.研究结果表明,非线性谐波方法可有效地模拟动静非定常干涉.     

离心压气机内激波/叶排相互作用

对根部存在疲劳裂纹的某跨音离心级进行了非定常流场数值研究,其中着重关注运动激波／叶排相互作用物理图画及其影响。研究表明:离心压气机中运动激波／叶排相互作用仍然服从一般激波／固壁相交行为规则;叶轮／扩压器间距小以及叶轮尾迹相对较宽造成扩压器内激波剧烈变化;扩压器前伸波深入叶轮通道深度由激波强度及扩压器前缘附近叶表形状决定;扩压器前伸波与叶轮尾缘相互作用可能是本叶轮根部尾缘发生高周疲劳的原因。     

离心压气机转子内部流场S_1／S_2全三元迭代解

为了比较准三元解和全三元解的差异，验证准三元解在计算离心压气机转子内部流场的准确程度，研究离心压气机转子内部流场全三元流动特性，本文对一有激光测量结果的高压比离心压气机［１］叶轮内部流场进行了全三元迭代计算，分析了Ｓ１／Ｓ２两类流面在叶轮通道内分布形态，比较了两类流面准三元解与全三元解的计算结果，讨论了无粘二次流的分布。并进一步和激光测量值及Ｎ－Ｓ三元直接解进行了详细的比较。     

多级环境下基于非定常/定常流混合分析的叶片颤振预报方法

发展了多级叶轮机环境下应用于叶片颤振预报的非定常流/定常流混合分析方法。对于叶片颤振预报,采用了基于能量法的单向耦合方法。非定常流计算采用了高效的频域谐波方法,定常流计算采用了时间推进方法。在非定常流和定常流交界面,发展了基于滤波技术的无反射混合平面方法。本文发展的叶片颤振预报方法,忽略了叶排干涉非定常流对叶片颤振稳定性的非线性影响,但包含了多级定常基础流动效应。通过对某二级风扇的颤振预测验证了该方法的有效性。     

Vortex generation in the cross-flow around a cylinder attached to an end-wall

A cylinder attached to an end-wall normal to its axis is a common feature of many practical flow systems, e.g. in turbo-machinery or when a bridge is supported by a pillar from the bed of a river. In this situation, the nominally two-dimensional boundary layer flow incident upon the cylinder develops strong three-dimensional features and a very pronounced vortex structure may arise in the upstream flow close to the wall. For the appropriate Reynolds number range, the upstream vortical structure is nominally steady and is commonly referred to as the “horseshoe vortex system”. In contrast, the flow downstream is unsteady and periodic over a wide range of Reynolds numbers and vortices aligned with the cylinder axis are shed at a regular frequency into the wake. The generation of both these vortex systems requires energy to be extracted from the incident flow with the result that the drag force on the cylinder is increased.This paper concentrates on the upstream region of the cylinder and discusses an investigation in which two-component Particle Image Velocimetry (PIV) has been used to visualise the flow behaviour for a circular cylinder on a plane end-wall. The use of PIV has enabled two orthogonal velocity components to be measured in planes defined by the upstream flow direction and the axis of the cylinder. The third (out-of-plane) velocity component was then calculated by integrating the continuity equation. Subsequently, the velocity field information has been manipulated and converted into time-averaged information.Discussion of the measured results confirms that colour displays are an invaluable aid to understanding this complex fluid flow situation since they reveal substantially more information than grey-scale plots of the same data. In particular, the source of the horseshoe vortex system can be identified when colour plots of the time-averaged velocity and vorticity distributions are obtained. A limited amount of information on the unsteady vortex structures appearing in the end-wall region upstream of the cylinder is also presented. Finally, the experimental findings are discussed in relation to the results of previous workers.     

纳米尺度圆柱绕流现象的分子动力学模拟研究

本文采用分子动力学模拟方法,利用Lennard-Jones(L-J)势能模型,模拟了Re为28时Ar流体流过Pt纳米圆柱的绕流现象.采用小步长时均值作为涡的瞬时值的方法,在纳米尺度、纳秒量级下得到了涡的周期性产生、组合、发展和脱落现象;在大步长时均条件下,得到了稳定的对称涡,表现出了绕流现象在不同时间范围内的不同特征.绕流过程还体现了流体的密度变化,圆柱上游密度大于下游密度、对称的两侧离轴线越远密度越大.结果表明,分子动力学模拟方法可以有效地细节刻画圆柱绕流现象.     

离心风机梯形截面蜗壳内旋涡流动的数值分析

本文求解时均N-S方程和“Baldwin-Lomax”湍流模式,使用基于时间推进法的Jameson格式计算方法,对一离心风机的梯形截面蜗壳内部流场进行了数值模拟。计算结果表明,在蜗壳各径向截面上都存在着一个旋转方向相反、强度交替变化的涡对。该涡对会随着径向截面位置与蜗壳运行工的变化发生复杂的变化。对该涡对演化细节的研究有助于探讨蜗壳内流动损失的一些机理。     

Screening effects in flow through rough channels

A surprising similarity is found between the distribution of hydrodynamic stress on the wall of an irregular channel and the distribution of flux from a purely Laplacian field on the same geometry. This finding is a direct outcome of numerical simulations of the Navier-Stokes equations for flow at low Reynolds numbers in two-dimensional channels with rough walls presenting either deterministic or random self-similar geometries. For high Reynolds numbers, the distribution of wall stresses on deterministic and random fractal rough channels becomes substantially dependent on the microscopic details of the walls geometry. Finally, the effects on the flow behavior of the channel symmetry and aspect ratio are also investigated.     

扩压叶栅端壁角区流向涡对湍流特性的影响

本文用三维激光多普勒测速技术测量了平面扩压叶栅的叶片吸力面角区流动湍流特性，如紊流动能分布、雷诺应力分布等．分析了角区内流向涡和通道涡对湍流特性分布的影响，结果表明：流向涡的核心区域及旋涡与附面层相互作用区域的湍流动能增加．同时，旋涡和旋涡运动强烈影响着雷诺正应力和切应力的分布规律．     

高超声速椭圆锥边界层横流转捩特性大涡模拟

横流效应显著影响高超声速飞行器的三维边界层转捩过程, 深化对该流动机制的认识有助于提升和改善飞行器气动性能及热力学环境. 针对HIFiRE5椭圆锥绕流问题, 采用大涡模拟方法计算分析了超声速边界层横流转捩特性, 并揭示其中的流动机理. 参考HIFiRE5风洞模型试验条件, 数值模拟中椭圆锥来流入口处施加人工速度扰动以激发边界层内不稳定扰动波, 进而预测了高超声速边界层流动横流失稳、转捩过程等基本流动特征, 并基于转捩热流分布形态对比, 获得了与试验数据基本吻合的计算结果. 研究发现, 椭圆锥中心线流动汇聚形成的流向涡结构非常容易失稳, 另外在中心线及侧缘之间的中部区域存在较强的横流不稳定性, 两种机制共同作用影响边界层转捩过程. 此外, 分析了来流扰动幅值对边界层横流失稳转捩的影响, 并发现静来流条件下, 横流区域出现两组独立的定常横流涡结构, 而强噪声来流条件下, 中心线主涡和中部横流涡均发生失稳转捩, 且在椭圆锥表面形成多峰状的转捩阵面. 最后, 深入分析流场的压力脉动动力学特性, 揭示了三维边界层发生失稳转捩的非线性演化机制.      

Reynolds数22 000的孤立方柱绕流的大涡模拟

方柱绕流是典型的钝体绕流问题,蕴含了丰富的流体力学现象,对这类流动的准确预测面临着诸多挑战.采用自主发展的大涡模拟程序,对来流Mach数M=0.3,Reynolds数Re_D=22 000的绕孤立方柱流动进行了细致模拟,亚格子模型使用动力涡黏模型.对计算结果的分析表明,大涡模拟所得的平均流场及Reynolds应力分布与已有实验数据和直接数值模拟结果均吻合较好,验证了预测结果的可靠性;在此基础上对瞬态流场进行了研究,展示了计算条件下方柱绕流分离转捩及尾迹区旋涡交替脱落形成Karman涡街的全过程,为更细致的流动机理探索奠定了基础.      

轴流压气机转子尖区三维紊流特性

用三维激光多普勒测速系统测量研究了低速大尺寸单级压气机设计状态转子内尖区三维紊流流场．结果表明,设计状态下叶尖泄漏涡是造成压气机转子尖部素流脉动的主要因素,其造成的高素流区沿流向逐渐扩大,并缓慢向通道中部和低叶高方向移动,紊流强度值随旋涡的增强而增大．在泄漏涡影响区域中,径向脉动水平最高,轴向和切向脉动水平相近,三个剪切应力中,轴向一径向最大,切向一径向次之,轴向一切向最小．在叶片通道后段,泄漏涡发生破裂,导致更强、更大范围的紊流脉动,剪切应力中切向-径向应力较高．在叶尖吸力面角区后半部的角涡,紊流强度大,剪切应力也大,尤其是切向-径向剪切应力．     

扩压叶栅端壁角区流动结构和紊流特性

三维激光多普勒测速技术测量了扩压叶栅叶片和端壁相交的角区中的流动结构和紊流特性。实验结果表明,角区中端壁附面层和叶面附面层的堆积使得叶面附面层变厚;角区内存在较强的通道涡,随流动向下游发展,通道涡核心远离叶面;在前缘产生的马蹄涡逐步消失;通道涡使得角区的紊流动能增加,并影响雷诺正应力的分布。     

不同间隙条件下的叶顶区流动

本文用数值方法研究带有间隙的三维叶栅叶顶区的流动。对于不同大小的间隙及环壁静止与旋转的不同壁面条件,揭示了叶顶区流动的细节。计算结果表明,叶片当地厚度与间隙高度之比过大过小的情形均不易形成叶顶分离涡,相比轮毂静止的情形,轮毂转动时较不易形成叶顶分离涡。