跨音速湿空气非平衡凝结流动的数值研究

跨音速流动条件下湿空气中的水蒸气由于快速膨胀而发生非平衡凝结,凝结潜热对跨音速气流进行加热,会显著改变气流的流动特性。通过对商用计算流体动力学软件FLUENT进行二次开发,建立了湿空气非平衡凝结流动的数值求解方法。该方法可用于二维或三维、粘性或无粘、内流或外流的求解中。采用该方法分剐对缩放喷管、透平叶栅以及绕CA-0.1圆弧翼型的湿空气非平衡凝结流动进行了数值分析。计算结果表明：湿空气凝结手l起缩放喷管中的凝结激波、导致叶橱流动中总压降低;对于翼型周围的流动,在相对湿度分别为50％、57．1％、64.1％时,依次计算得到了单激波、五激波、双激波。     

喷管内水蒸气非平衡凝结流动数值模拟研究

基于水蒸气非平衡凝结动力学模型和水蒸气真实热力学性质模型,建立了水蒸气跨声速非平衡凝结流动数值模型,对喷管内水蒸气非平衡凝结流动进行了数值模拟,模型成功地捕捉到了凝结激波,并且模拟结果与实验数据吻合较好,证明了所建立数值模型的准确性和可靠性。在此基础上研究了水蒸气在跨声速流动过程中发生的非平衡凝结现象以及对流场产生的影响,发现水蒸气凝结现象对流场的影响非常显著;并对凝结激波的产生过程和原因进行了详细分析。     

大气飞行条件凝结放热对机翼升阻特性影响

跨音速流动下,大气中水蒸气发生的非平衡凝结对机翼的升阻特性影响显著。本文对大气飞行条件下,绕ONERA M6机翼非平衡凝结流动进行研究。对攻角分别为1.07°、3.06°、6.06°非平衡凝结流动影响机翼周围流场分布进行分析。分析结果表明:与干空气流动相比,攻角为1.07°时,随着相对湿度从30%增加到60%,机翼的升阻比持续减小,相对湿度继续增加到70%,机翼升阻比略有增大,为干空气的21.6%;攻角为3.06°时,随着相对湿度从30%增加到70%,机翼的升阻比持续减小,相对湿度70%时,升阻比为干空气的41.5%;攻角为6.06°时,随着相对湿度从30%增加到70%,机翼的升阻比持续减小,相对湿度70%时,升阻比为干空气的64.3%。     

平面叶栅气动试验研究进展与展望

平面叶栅气动试验传统上是验证压气机、涡轮的基元性能的主要手段, 近年来国内外研究人员利用平面叶栅开展了大量的流动测量试验, 以揭示叶栅内部复杂流动现象的本质和规律、探索减小叶栅内流动损失的方法. 本文从试验装置、测试技术和研究内容三个方面, 综述了近年来平面叶栅气动试验研究的进展情况. 首先介绍了平面叶栅试验装置的发展及提高平面叶栅试验段流场品质的措施; 其次介绍了叶栅气动试验采用的部分流场测试技术, 包括叶片表面压力场、叶片表面温度场、内流速度场及流场可视化等测试技术, 分析了这些测试技术的进展和存在的问题; 然后梳理了近年来平面叶栅试验研究的相关科学问题及进展, 包括跨音速叶栅中的激波研究, 叶顶间隙泄漏流动研究, 叶型优化研究, 多尺度非定常旋涡结构研究, 振动环境下叶栅流场研究等; 最后对平面叶栅气动试验研究方向进行了展望. 通过了解叶栅内复杂流动现象及本质, 为进一步探索和提高压气机、涡轮的气动性能提供技术支撑.      

流体动力系统激波的数值模拟

本文为了对流体动力系统含有激波的跨音速流动进行数值模拟,给出了曲线坐标系下的LU-AUSMLW算法。该算法综合利用了AUSMPW格式与LU-SGS方法的优点。本文通过采用三阶MUSCL格式获得高阶精度。为了验证该算法的精度,对通道和叶栅中含有激波的跨音速流动进行了数值模拟。本文数值试验的计算结果与文献计算结果相符很好。     

考虑气动热对粘性系数μt影响的压气机流场计算

根据气动热影响叶片壁面附面层粘性系数tμ的理论,把考虑气动热对粘性系数tμ影响的粘性体积力计算方法运用于压气机叶栅三维粘性流场计算。计算时使用有限体积显式时间推进法解算Navier-Stokes方程,用Baldwin-Lomax模型模拟湍流流动。所得结果比不考虑气动热影响的三维计算结果更接近实验结果,能更真实地反映压气机叶栅流场的流动。     

跨音速轴流压气机研究中应用的各种测量方法

近年来跨音速轴流压气机获得了更广泛的应用,预计未来这种压气机在国防及国民经济的各个领域内的使用会更加普遍。为了完善压气机内流场计算的三元流动设计方法,缩短压气机的研制周期,必须仔细地研究压气机内的流动过程。为此建造了包括各种测量手段的特殊试验台。本文对这些测量方法做一概略介绍。      

跨音速压气机级的三维周期性非定常流动计算

对跨音速压气机级动静叶排相干形成的三维非定常流场进行了数值研究，利用时间推进ＬＵ－ＳＧＳ稳式迭代法求解三维非定常欧拉方程，对流项采用高分辨率ＮＮＤ格式离散。对某压气机第一级动静叶排相干非定常流场的计算结果表明，本文方法不仅在收敛速度上明显地优于一般显式方法，而且保持了流场中激波的高分辨率，适于推广到计算量巨大的的多级轴流压气机三维非定常流场的数值分析问题     

透平机械叶尖间隙流场研究的进展

叶尖间隙流动对透平机械性能有很大影响。长期以来,叶尖间隙流动机理一直是透平机械领域研究的一个热点,同时也是一个尚未认识清楚的难点。把叶尖间隙内流动的研究进展分成两个部分:一部分是透平叶栅和透平转子内部叶尖间隙流场的研究进展,另一部分是压气机叶栅和压气机转子内部叶尖间隙流场的研究进展。对目前叶尖间隙研究集中的问题,如泄漏涡系结构,泄漏流动模型,泄漏涡旋涡强度的变化,泄漏涡和激波的相互作用等进行了简要的总结。文中还对透平机械叶尖间隙泄漏流动常用的数值计算方法进行了总结。认为今后应进一步对以下问题进行研究,其中包括研究高速透平机械叶尖泄漏涡旋涡强度变化问题,径流式叶轮机械叶尖间隙泄漏流动过程及泄漏涡发生发展规律问题,泄漏涡与激波相互作用产生阻塞区域的大小问题。      

多级轴流压气机叶栅内三维紊流流场的数值模拟

对多级轴流压气机叶栅内三维紊流流场进行数值模拟,采用高精度高分辨率的三阶ENN格式以保证对激波的捕捉和对紊流特征的正确模拟,利用LU-SGS隐式解法提高了计算速度,从而构成了一种既准确又高效的多级跨声速轴流压气机紊流流动数值求解系统。重点研究了动静网格的交接方法及相应的动静交接面处理模型。计算了某带进口导叶的三级轴流压气机,计算结果与实验数据吻合较好。     

透平叶栅跨音速流动计算中的新型有限元法

将Ｔａｙｌｏｒ－Ｇａｌｅｒｋｉｎ有限元法和多级有限元的思想结合起来，构成了在收敛速度和稳定性两方面均较好的新型有限元算法：多级广义有限元。利用这一方法，分别基于Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程和Ｅｕｌｅｒ方程，研究了透平跨音速叶栅无粘流动和粘性流动，并将计算结果与实验结果作了比较。计算结果表明，本方法是透平机械内部跨音速流动计算的强有力的手段。     

变几何叶片对压气机特性影响的实验研究及分析

利用带导叶的单级轴流压气机实验台，详细测量了进口导叶无预旋、全叶高预旋2度和叶顶端部预旋2度对压气机总性能、基元性能及失速边界的影响。在设计及非设计转速下，通过对比三种导叶几何条件下的性能曲线，探讨了导叶预旋在非设计转速下的扩稳效果及设计转速下对 气机性能的影响，分析了利用端弯技术扩大压气机稳定工作范围的机理，该研究进一步说明了端弯技术是推迟轴流压气机不稳定流动发生的有效手段之一，可以很方便的用于实际轴流压气机中。     

基于TDLAS的水蒸气非平衡凝结过程研究

目前国内开展的高超声速飞行器地面模拟试验,尤其是较大尺度的高焓试验,大部分在燃烧加热风洞中进行。气流在喷管的膨胀加速过程中温度快速降低,可能导致其中的水蒸气发生急剧凝结,这一过程会带来试验流场参数的改变。为了考察水蒸气的凝结过程,提出"空间转化为时间"思想,即将喷管中气流参数沿喷管流向的变化转换为膨胀过程中固定位置气流参数随时间的变化,设计搭建了一套模拟喷管凝结过程的试验装置,通过调节连接段最小截面积实现不同的时间尺度,采用片光技术实现凝结现象的观测,同时根据水蒸气和甲烷吸收光谱获得凝结过程中的温度变化以及水蒸气含量变化。结果表明:在试验段内通过片光可以观测到水蒸气的凝结现象;不同时间尺度下凝结过程中的温度变化趋势相近,均为先下降后上升,在温度趋势发生变化的时间点附近,水蒸气摩尔分数迅速下降,这一变化趋势与燃烧加热风洞喷管流动中参数变化的数值模拟结果具有较好的一致性;这种"空间转化为时间"的试验方案可以在一定程度上模拟喷管中水蒸气的凝结过程。     

低雷诺数下附面层组合抽吸方案对压气机特性影响的研究

为了分析附面层抽吸流动控制对低雷诺数下压气机特性的影响,本文采用数值方法模拟了低雷诺数下附面层组合抽吸方案对NASA Rotor 37跨音速压气机性能和稳定性的影响特点及作用机理。通过在该压气机转子叶片吸力面和机匣上分别设计附面层抽吸槽,探讨了组合抽吸方案对低雷诺数下(H=20km)压气机性能和稳定性的影响。结果表明:采用组合抽吸方案后,压气机峰值效率提高约1.3%;压气机最大增压比提高约2.5%;压气机转子的近失速点流量减小约14.6%。进一步分析作用机理发现,组合抽吸槽有效抑制了附面层径向涡向叶顶的运动和聚集,使叶顶附面层分离区减少约70%从而有效改善了压气机的流场特性。     

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。     

平面跨音速叶栅正、反混合问题的一种高效率解法

本文在文献[1]的基础上提出了平面跨音速叶栅正、反混合问题的一种高效率解法,它保持了文献[1]中方法的优点,避免了打靶,从而达到了扩大适用范围,减少了计算时间。 文中导出了以Von Mises坐标为自变量的流线控制方程,简单而有效地处理了速度的双值问题,作为考核,计算了两个跨音速平面叶栅和一个拉伐尔喷管的流场,结果令人满意,本方法具有精度高、收敛快的特点,即使对于624所跨音涡轮动叶中部叶栅中比较复杂的流场,也只需迭代50次,费时不到1分钟(DPS-8机),即可获得满意的结果。     

气固耦合振动叶栅非定常流动分析研究

引入结构动力学方程建立了二维N-S/结构振动耦合方程组,采用双时间法建立了气固耦合方程组的非定常数值求解体系,研究了叶栅间的二维非定常粘性流动及叶栅振动特性。对两种叶型分别计算了不同折合振动频率下的流场,振动叶栅位移随时间变化的曲线表明,采用气固耦合得到的叶栅振动频率与非耦合自振频率相比均有所下降;振动位移-时间曲线在不同振动折合频率下有显著差别。在气固耦合情况下叶栅振动规律及其稳定性与非耦合情形差异较大,因此研究叶栅振动稳定性应当考虑气动/结构的耦合。     

平面跨音速叶栅的正、反混合问题

本文在文献[1],[2]的基础上提出了跨音速平面叶栅的一种正、反混合问题并给出了求解方法。根据本方法编制的计算机程序既能用来分析已有跨音速平面叶栅的绕流流场,又能设计兼顾气动,强度等方面要求的叶栅型线,还可以局部修改叶栅型线。应用时灵活方便。文中以Hobson冲击式涡轮叶栅作为例子,考核了此种正、反混合问题的提法和求解方法。结果是满意的。     

涡轮增压器离心压气机非稳态工况流场分析

利用商用 CFD 软件对一小型车用离心压气机建立了数值模型,并将模拟结果与实验结果进行了对比:稳态的设计转速最高压比相差不超过 0.5%,最高效率相差不超过1.5%;非稳态模拟和实验得到的失速频率均为 3000Hz,模拟结果真实可信.主要利用设计转速下小流量工况时的非稳态数值模拟结果对喘振发生前离心压气机各部件的非稳态流动特点进行了详尽阐述.研究结果表明:小流量工况时离心压气机各部件均出现非稳态流动现象,这种非稳态效应在各部件中表现出不同的特点,且随着流量的减小这种非稳态效应会不断加剧.     

进口受控非定常来流同振荡叶栅相互作用的Euler方程数值解

将 Dcnton 的四角点有限面积格式用于求解变换坐标系下的非定常 Euler 方程组,在振荡叶片附近局部子域构造了一种按等差级数分布的动态网格,从而节省了计算时间,对于本方法的正确性进行了初步检验并与相应的实验进行了对比,在进口总压简谐振荡的束流条件下,计算了零安装角平板叶栅和53°安装角双凸叶栅扭转振荡的非定常流场,结果表明,进口受控扰动同振荡叶栅之间的相互作用在有压力梯度的情况下可以定性地改变叶栅的气动阻尼。