三维透平叶片扭转颤振问题的流固耦合数值研究

颤振,尤其是失速颤振是引起叶轮机械安全事故的重要原因之一。由于叶片颤振的复杂性,过去人们一直采用半经验的方法研究叶片的颤振。本文发展了一套更精确的流固耦合计算方法,并用这种算法研究了三维透平叶片的扭转颤振。在模拟大负攻角下的颤振时发现,传播失速响应频率向固有频率靠近是振动发散的一个重要判据。通过计算得出了压比和攻角对颤振影响的特性曲线,它不但可用于判断流体激振的稳定性,而且可以研究颤振的强度。     

用显格式时间推进法求解跨音叶栅的粘性流动

本文提出了一种基本格式加修正环节的显式差分格式,用来求解跨音叶栅绕流的完全的Navier-Stokes方程,可得到近似于二阶精度的解.试算表明本文差分格式和给出的边界条件是成功的,它提供了透平机械叶栅中粘性流动的一种数值模拟方法.在给定了合适的湍流模型后,本文的方法能方便地推广应用到湍流的计算中去.     

非轴对称端壁与弯叶片联合造型方法及应用

本文采用改进的侧偏余弦函数作为造型基函数,使用Beier样条曲线控制造型参数沿轴向的变化规律,构造了一套叶栅非轴对称端壁造型系统。并在此基础上,进一步加入对三维叶型积叠规律的控制,将弯叶片造型方法和非轴对称端壁造型系统整合成非轴对称端壁与三维叶片积叠联合造型系统。将该造型系统与商业优化软件iSIGHT集成,采用模拟退火算法对某两级透平的第一级静叶进行了气动优化设计,优化目标为气动效率最高。优化后绝热效率增加了约0.43%,流量增加了约2.1%。优化结果表明非轴对称端壁与三维积叠的联合造型方法能够在单一造型方案的基础上进一步提高叶栅的气动效率。     

低展弦比跨音速轴流风扇转子流场三维数值模拟

应用基于时间推进的有限差分法求解跨音速压气机风扇转子内部三维粘性流场．该方法以新型ＬＵ隐式格式和改良型 ＭＵＳＣＬ ＴＶＤ格式为基础,对三维可压缩雷诺平均 Ｎａｖｉｅ－Ｓｔｏｋｅｓ方程和低雷诺数ｑ－ω双方程湍流模型进行求解．计算得到了ＮＡＳＡ Ｌｅｗｉｓ ６７跨音速、低展弦比轴流风扇转子的性能曲线并重点分析了近最高效率点工况和近失速工况下的内部流场．计算与实验结果的对比表明此方法能够得到三维粘性流场的流动特性且计算精度较高,可用来模拟跨音速风扇转子内部流动．     

采用高分辨率高精度格式求解跨音压气机转子内三维粘性流场

采用一种新型的ＬＵ隐式算法及４－５阶高分辨率ＴＶＤ格式求解了叶轮机械内的三维Ｎ－Ｓ方程和ｑ－ｗ湍流模型。应用几何法与ＰＤＦ方法混合的网格生成程序,得到了ＲＯＴＲＯ３７跨音速压气机转子内的Ｈ型网格,并将数值模拟的结果同ＬＤＶ实验值进行了比较。     

低速多组份混合工质掺混流场数值模拟的加速收敛

本文对基于时间推进的高分辨率迎风数值格式采用一种新的加速收敛技巧,对低速掺混流动问题进行数值模拟, 可以有效地加快收敛速度,而且每步计算时间并未增加许多,因此能够有效地减少计算费用。同时改进后的数值格式能够 在处理高速流动问题的时候恢复成为原来的格式,从而使得改进后的数值格式对高速和低速流动问题均能保持良好的计 算效率。     

高精度高分辨率迎风格式应用于不同速度范围内粘性流动

提出了一种适合于不同速度范围的高精度高分辨率的迎风有限差分格式，并基于此数植模型发展了适应于速度范围极宽的非定常粘性流动通用软件，不仅适用于超音速下捕捉强间断面，跨音速及高亚音速下捕捉弱间断面和滑移面，还可以精确地模拟低速情况下的粘性流动。此软件可分别用于研究内流和外流的流动特性以及预估其粘性损失。     

机翼大攻角下失速颤振的气动弹性研究

本文采用流固耦合的数值方法研究了机翼在0°～50°攻角下的颤振。计算结果表明,随着来流攻角α0的增大,机翼的固有频率对颤振的影响越来越大,颤振由线性的强迫振动逐渐发展成为非线性的自激振动,而当α0增加到一定程度以后,大尺度分离流交替地从机翼头部和尾部产生,机翼和流场会发生共振,引起机翼的失速颤振。     

多级轴流压气机全工况特性计算

本文使用三维粘性流动计算软件Fine／Numeca,对某十五级轴流压气机进行了内流流场和全工况特性的数值计算尝试。分析了该压气机在设计工况和非设计工况的性能,同时把整机计算结果和前七级叶片的计算结果进行了比较。计算结果表明,当计算的级数较少时,目前的软件和硬件平台可以比较合理地预测压气机的全工况特性;而当计算的级数较多时,准确的数值模拟仍需要更为准确的多级模型和数值方法。     

基于NURBS的叶片全三维气动优化设计

采用NURBS对叶轮机械叶片的关键截面和基迭线进行参数化表达,该表达方法为基于现代优化算法的叶片粘性气动最优化设计提供设计变量,以实现对叶片截面和叶片基迭线弯、倾、扭、掠变形的控制。该方法编写成的叶片全三维控制模块和网格自动生成程序、CFD程序集成到商业软件iSIGHT中,构成了叶片全三维粘性气动优化设计平台。在该平台上选用ASA成功进行了某透平静叶片的全三维粘性气动最优化设计。实验结果表明通过同时改变叶片截面和叶片基迭线的方法能够有效地抑制叶片的二次流损失,因此该设计平台在叶片气动优化设计中有广阔的应用前景。