级环境下叶片扩压器流场的实验与数值研究

为了研究离心压缩机级环境下的非定常干扰的基本流动现象,并验证多级叶轮机械的CFD软件的分析能力, 对一大尺度离心压缩机的叶片扩压器流场进行了实验测量和数值计算. 实验采用了固定热线、相位锁定------系综平均技术,用常温热线风速仪对叶轮后的叶片扩压器通道内不同周向、径向和轴向位置处的非定常速度进行了测量,同时提出了非定常强度的概念,以定量考核非定常的影响.实验结果表明, 叶片扩压器内的非定常流动非常复杂,其时间周期并非叶轮叶片通过时间,随着与离心叶轮之间的距离增大,非定常扰动逐渐减弱,但一直延续到叶片扩压器的出口.另外,对该实验压缩机级开展了两个不同的数值计算,并与实验数据进行了比较：定常数值计算软件采用了作者发展的确定应力模型,非定常数值计算是用商业软件NUMECA实现的,计算采用了滑移界面技术. 两个计算结果与实验在扩压器的进口截面处吻合得很好.     

离心风机子午通道内湍流场数值模拟

由进风口－叶轮－无叶扩压器－蜗壳等部件组成的离心风机通道内流分析是非常复杂的，目前还只能是分别计算各部件内的流场，但必须考虑部件间的相互影响。本文采用轴对称Ｎ－Ｓ方程，根据三维叶轮通道计算给出的叶片力分布，求解了考虑叶片力的进风口－叶轮－无叶扩压器组成的子午通道问题，所得结果可用来给出三维叶轮通道计算的进口条件，并可用于优化设计进风口及叶轮前、后盘形状。该方法已得到实践检验。     

离心式风机转子叶片上脉动力分析

本文由薄翼阵风响应理论建立了任意频率和相位谐振动的二维离心式叶轮叶片上不稳定脉动力及力矩的计算模型，利用声辐射方向可予测离心风机叶轮的辐射声功率。采用自由声场法对离心风机噪声进行了实测，实测值与子测值吻合较好。     

离心压气机的堵塞与喘振

本文在离心压气机试验工作基础上对堵塞与喘振现象进行了分析,介绍了计算叶片扩压器与叶轮堵塞流量的方法以及设计中导风轮进口喉部面积与叶片扩压器喉部面积应保持的正确比例。计算结果与试验数据进行比较获得了较好的一致性。本文还介绍了叶片扩压器与叶轮流道静压分布的测量结果,并结合试验现象运用边界层概念对离心压气机喘振问题进行了分析。      

离心压缩机蜗壳型线的一种二维逆命题计算方法

本文提出一个蜗壳型线的二维逆命题计算方法。该方法考虑了蜗壳进口流动参数沿圆周方向分布不均匀和蜗壳周向平面内损失分布的影响；改进蜗壳与叶轮或扩压器之间的匹配关系，改善离心压缩机和风机的性能，提高蜗壳的设计质量。     

离心压气机工作特性及内部流动的试验研究

本文在总结试验工作的基础上,讨论了离心压气机发生堵塞、喘振的现象及压气机特性曲线上高效区所在位置等问题;介绍了叶轮后的无叶扩压段及叶片扩压器中静压分布的测量结果;提出了叶片扩压器的简化流动模型。      

采用不同黏性处理方法的宽无叶扩压器不稳定流动研究

径向无叶扩压器的全局稳定性可能受到核心主流失稳,出口回流与壁面边界层分离等因素影响,对于宽无叶扩压器,无黏核心主流与壁面边界层流动对不稳定扰动诱发的作用机理是当前研究的重点.本文首先通过数值计算获得了大宽度比孤立无叶扩压器平均流动,然后基于小扰动理论和周向均质假设,分别对欧拉方程与 Navier-Stokes 方程进行线性化,建立了基于无黏核心流动的稳定性分析方法,以及基于涡黏性与分子黏性的混合稳定性分析方法;通过与实验结果的对比,验证了混合稳定性分析方法预测所得流动失稳频率和全局直接模态的准确性;最后基于伴随方法获得了特征值的结构敏感性,揭示了不同黏性处理条件下宽无叶扩压器内全局不失稳扰动的源发区域.在只考虑核心主流的无黏条件下,宽无叶扩压器内流动不稳定扰动来源于流场中部,为二维的离心失稳;在同时考虑核心主流与边界层的作用时,宽无叶扩压器不稳定扰动不仅来源于扩压器流场中部的核心主流,壁面回流对于不稳定扰动的产生了重要影响.      

采用不同黏性处理方法的宽无叶扩压器不稳定流动研究

径向无叶扩压器的全局稳定性可能受到核心主流失稳,出口回流与壁面边界层分离等因素影响,对于宽无叶扩压器,无黏核心主流与壁面边界层流动对不稳定扰动诱发的作用机理是当前研究的重点.本文首先通过数值计算获得了大宽度比孤立无叶扩压器平均流动,然后基于小扰动理论和周向均质假设,分别对欧拉方程与Navier-Stokes方程进行线性化,建立了基于无黏核心流动的稳定性分析方法,以及基于涡黏性与分子黏性的混合稳定性分析方法;通过与实验结果的对比,验证了混合稳定性分析方法预测所得流动失稳频率和全局直接模态的准确性;最后基于伴随方法获得了特征值的结构敏感性,揭示了不同黏性处理条件下宽无叶扩压器内全局不失稳扰动的源发区域.在只考虑核心主流的无黏条件下,宽无叶扩压器内流动不稳定扰动来源于流场中部,为二维的离心失稳;在同时考虑核心主流与边界层的作用时,宽无叶扩压器不稳定扰动不仅来源于扩压器流场中部的核心主流,壁面回流对于不稳定扰动的产生了重要影响.     

离心压气机叶片扩压器的不稳定流动特征

本文用高频响应的热线风速仪及压力传感器作为测量仪器,与磁带记录仪及CF-920动态信号分析仪一起,组成测量及分析系统,并用该系统对离心压气机带叶片扩压器时的流动脉动进行了测量,得出了流体脉动的时间和空间特征.文中给出了失速波形及失速参数随流量的详细变化.本文装置上产生三团失速,流量减小过程中。失速团以2.2%～7%的叶轮转动速度旋转.转速变化时,失速现象的演变过程并不发生变化.失速时,叶片扩压器前缘附近的流动最为恶化,流体脉动幅度较大,气流角的变化剧烈.     

离心压缩机径向吸气室的流动损失分析和改进设计

为提高在径向吸气务件下的离心压缩机性能,在吸气室内采用分流叶片方法控制径向吸气导致的畸变流动.结果表明,分流叶片虽然增加了吸气室内的流动损失,但是能够降低叶轮进口进气畸变,改善叶轮叶片受力分布及提高压缩机级的性能.在此基础上,进一步通过改进分流叶片叶型而减小流动分离损失,提高了压缩机的级性能.     

Application of particle image velocimetry to a transonic centrifugal compressor

As part of an ongoing research project the performance and internal flow field of a high-pressure ratio centrifugal compressor is being investigated. Based on previous, primarily, point-wise laser-optical measurements the compressor was redesigned and resulted in an improved impeller and diffuser with a single-stage pressure ratio of 6:1 at 50,000 rpm. Current research activities involve the use of particle image velocimetry (PIV) to analyze and further improve the understanding of the complex flow phenomena inside the vaned diffuser given the capability of PIV of capturing spatial structures. The study includes phase-resolved measurements of the flow inside a diffuser vane passage with respect to the impeller blade position. Both, instantaneous and phase-averaged velocity fields are presented. The flow field results obtained by PIV are to be used for future validation of the related CFD calculations, which in turn are expected to lead to further improvements in compressor performance. In addition, the potential of stereo PIV for this type of turbomachinery application could be successfully demonstrated.     

离心叶轮气动声场的数值计算与分析

采用SIMPLEC算法对Ghost叶轮的三维非定常流场进行了数值模拟。利用计算所得流场结果并结合Lighthill和Lowson声学方程计算了由叶片表面非定常脉动力产生的气动噪声。计算结果表明:气动噪声的峰值主要集中在基频及其谐波附近;与静止的点声源相比,运动的点声源不仅使声场存在明显的多普勒效应,还会使声场的强度产生较大的变化;但对转速恒定的旋转点声源,加速度的变化对声场的影响可以忽略;从声场的分布来看,整个旋转叶轮可以看成是一个按简谐变化的偶极子源,数值计算结果与理论分析的结果吻合良好。     

Measurements in the vaneless diffuser of a radial flow compressor

Results from an experimental study of flow behaviour at the inlet of a vaneless diffuser of a centrifugal compressor are presented. Measurements from a crossed hot-wire probe are given for operating points having inlet flow coefficients ranging from 0.006 to 0.019 at different Reynolds numbers. Instantaneous, time-averaged, and phase-averaged absolute velocity and flow angle at the diffuser inlet are deduced from the hot-wire signals after correction for mean density variations. These results show how flow behaviour varies in stable, rotating stall and surge regimes of compressor operation     

A time marching method for unsteady two-dimensional flow in a blade passage

A time marching method for calculating non-uniform unsteady two-dimensional flow through a blade passage is presented. The various problems encountered in extending time marching techniques into this field are examined, and the method is applied to analyse unsteady wake flows through a compressor and turbine blade row.     

小型高速离心压气机级内部的三维流场分析

利用三维数值模拟技术对微型燃气轮机中的离心压气机部分进行了数值分析,得到了离心压气机设计转速下的级特性曲线和各通流部件中的流动情况。数值分析表明:设计转速下压气机的级特性非常陡峭;整个特性线范围内离心叶轮基本在亚音速情况下工作,而径向扩压器是在跨音速条件下工作,离心压气机整机的最大流量是由径向扩压器的喉部面积决定的;离心压气机级内部各通流部件之间流动的相互干扰是引起流动分离的重要原因,各通流部件之间流动的相互匹配和协调将决定了离心压气机整机的性能和稳定性。     

Unsteady influence of Self Recirculation Casing Treatment (SRCT) on high pressure ratio centrifugal compressor

Self-Recirculation-Casing-Treatment (SRCT) is a widely employed method to enhance aerodynamic stability of a centrifugal compressor. This paper investigated unsteady effects of SRCT on the flow in a transonic centrifugal compressor via numerical method validated by experimental test. Firstly the static pressure distribution in the compressor without SRCT is measured for information of boundary conditions as well as validation. Then a 1-D unsteady model of a single passage is built and validated based on the experimental results. Next, the 1-D model of a passage with SRCT is built to investigate the unsteady influence of the SRCT on the flow in the passage. Finally 3-D unsteady CFD is employed to investigate the detailed influence of SRCT on the flow field in impeller passages. Results show that the topology of the passage with SRCT can remarkably damp the distortion propagating from downstream, hence depress the magnitude of the inlet flow distortion. Furthermore, the width of the rear slot in SRCT is the key factor for the damping effect. The 3-D simulation results further show that the fluctuations of the re-circulated flow rate via the front slot is depressed by the SRCT which is attributed to the damping effect of its configuration.     

离心叶轮机械内部流动的研究进展

随着测量技术及数值算法的不断进步,叶轮机械内部流动研究有了很多新的进展.本文就半个世纪以来离心叶轮机械内部流动的实验及数值模拟研究进行了评述,根据作者掌握的文献,着重在以下几方面展开综述:叶轮内部流动、叶顶间隙泄漏流动、扩压器内部流动及叶轮与扩压器相互作用的非稳态流动等等.文中分别阐述了国内外学者在上述流动研究方面的主要成果,指出了这些研究的特点及其不足,分析了我国在这些领域与国际水平的差距,并结合作者自己的研究工作对离心叶轮机械内流研究提出了建议.