任意空间曲面三元叶轮叶片厚度对气动性能的影响

以任意空间曲面三元闭式叶轮为对象,研究了不同展向和流向叶片厚度分布方案对离心压缩机气动性能的影响。数值结果表明:对等厚叶片沿展向和流向进行合理地削薄,均能在基本不改变小流量工况性能的情况下,显著提升大流量工况的性能。展向削薄叶片和流向削薄叶片带来的性能提升幅度可以叠加,通过组合叶片厚度分布改型,本文压缩机设计工况点等熵效率提升了约2.08%。相比于沿流向削薄前缘和尾缘厚度,沿展向削薄叶尖厚度具有更大的性能提升能力。研究工作为三元闭式离心压缩机叶轮的优化设计提供了有益的参考。     

基于全叶片曲面参数化方法的涡轮气动优化

为进一步挖掘涡轮性能潜力,实现气动优化参数化降维,减少优化耗时,基于全叶片贝塞尔曲面参数化方法、多岛遗传算法和CFD求解器构建了涡轮三维优化平台。通过建立涡轮叶片吸压力面展开曲面和贝塞尔曲面的参数化映射,全叶片贝塞尔曲面参数化方法实现了叶片吸力面和压力面的同时变形控制,减少了优化控制变量,具有型面光顺性和构造便捷性。对TTM跨音涡轮开展全局气动优化设计研究,结果表明：优化历时约70 h,涡轮设计点绝热效率提升0.48个百分点,流量增加0.97%,膨胀比下降0.32%,验证了曲面参数化优化方法对涡轮气动优化问题的有效性、工程实用性和降维特性。     

定常吸气改善叶型气动性能的数值研究

提高叶型升力,扩大其稳定工作范围一直是叶轮机械领域关心的问题。本文针对采用定常吸气方法减缓低马赫数流动分离,改善叶型气动特性的问题,在NACA0015叶型上进行了多种工况的数值模拟。结果表明:在叶型头部吸力面分离点附近施加定常吸气,可以提高叶型升力,降低阻力,推迟失速2°左右。存在着最佳的定常吸气动量范围和吸气位置,使得其改善叶型性能的效果最大。文中还给出了定常吸气动量和施加位置等参数对叶型气动性能的一些影响规律。     

基于叶片载荷分布的离心叶轮气动优化

针对离心压缩机叶片载荷对叶轮气动性能的影响,按照盘、盖侧的最佳载荷匹配,利用反问题计算原理设计出相应的离心叶轮,采用数值方法计算分析了各自叶型的效率、压比和能量头等气动参数,确定最佳载荷匹配原则。在此基础上对载荷沿流向的梯度变化进行再优化,发现在一定程度内较小的载荷梯度有利于减小流动损失,提高叶轮效率,但过于平缓的载荷反而使性能略有降低。本文结果为高性能离心叶轮的气动设计提供依据。     

跨音速透平平面叶栅绕流的激波结构及其分析

通过跨音速透平平面叶栅气动试验所拍摄的纹影照片,分析讨论了在叶栅槽道及出口流场里的激波形成与发展。根据试验结果,论证了在自由边界面上反射激波的存在及其对流动特性的影响。在本文的第三部分对激波与附面层干扰的几种典型现象进行了讨论。     

非光滑叶片对轴流风扇气动性能的影响

在低速轴流风扇实验台上,通过对比测量光滑转子叶片、两种表面具有流向沟槽的非光滑转子叶片风扇的气动性能,研究了叶片沟槽面对风扇气动性能的影响.结果表明:(1)在设计状态和小流量状态,采用微槽型非光滑叶片能提高该风扇的流量、降低总压损失和提高风扇总压升;(2)在近失速状态,非光滑叶片使风扇性能下降;(3)非光滑叶片对风扇性能的影响在很大程度上取决于非光滑叶片的沟槽尺寸.     

进口畸变条件下改善压气机性能的数值研究

依据"非定常两代流型"理论,验证了二维叶栅在均匀进气条件下,施加激励对其性能所起的改善作用,尔后重点研究了进口具有总压的周向畸变时,施加激励对其气动性能的影响。计算结果表明,在有无进口畸变时,施加一定的激励都会改善流场结构,气动参数有积极变化,压升和效率增加,特别是在流量比较小时,变化尤为明显.对于进口畸变和施加激励影响压气机性能的内在原因,从流场结构的变化方面进行了初步分析。     

离心压气机叶轮多学科优化设计方法研究

本文采用多目标遗传算法结合近似模型方法,对离心压气机叶轮优化设计程中叶片各个设计参数的变化对于叶轮气动与强度性能的影响进行了研究,更深刻地了解各个参数分别对叶轮气动和强度性能的影响程度,并在此基础上采用可行性解的选择策略来寻求优化设计点,优化后的结果能够满足叶轮气动与强度性能的要求,表明该方法具有一定的工程实用价值。     

离心压气机叶身/端壁融合技术应用初探

压气机负荷能力不断提升导致角区流动愈加复杂并易于分离,如何组织与控制角区流动已成为压气机负荷最大化设计过程中的一个关键问题。本文首先针对一高压比离心叶轮开展数值模拟校核工作,在对比分析的基础上,确定中心差分与SST湍流模型组合模拟性能较佳。而后对一跨声速离心压气机级原型进行了性能分析并分别施加常规工程倒圆和叶身/端壁融合(BBEW)技术修型,对比分析其对气动性能影响,发现常规工程倒圆会使叶轮性能恶化,而BBEW能在存在工程倒圆的基础上提升绝热效率近0.4个百分点。本文最后对各方案的流场细节进行了分析和对比.     

聚合物绝缘子表面微结构构筑及闪络性能

对聚合物绝缘子表面微形貌的构筑方法及其对沿面闪络性能的影响进行了研究。首先以二氧化硅微球为模板，利用化学模板法在交联聚苯乙烯(CLPS)表面实现了μm级孔穴的构筑，研究了二氧化硅微球的颗粒直径及添加量对微孔参数的影响；其次，利用激光刻蚀的方法在有机玻璃(PMMA)绝缘子表面实现了百μm级三角形凹槽阵列的构筑，探索了激光工艺参数对微槽形貌和结构的影响。通过短脉冲高压测试平台对构筑了两种不同微形貌的绝缘子进行了真空沿面闪络性能测试。结果表明:沿面闪络电压均获得了显著提升，其中表面带有合适微槽的PMMA绝缘子的闪络电压相比于未处理的绝缘子提升了将近150%；与传统的表面机械加工处理方法相比，在聚合物表面实现了从μm到数百μm量级微结构的可控构筑，并使真空沿面闪络电压获得了稳定提升。     

倾斜叶片对多翼离心风机性能影响的研究

本文应用大涡模拟及边界元法研究了倾斜叶片对多翼离心风机气动声学性能的影响。研究结果表明,相较于传统直叶片叶轮,倾斜叶片叶轮在出口角度不变时因叶片发生扭转,会略微降低风机流量。采用倾斜叶片,可以减小叶道中的流动分离区域,减弱流动分离程度。前盘侧间隙泄漏量随着前盘侧叶轮外径的减小而减少,倾斜叶片叶轮出口角度的变化对于泄漏量影响较大。倾斜叶片叶轮在前盘侧叶轮外径减小时,可以减少风机噪声。     

积垢对离心压气机叶轮气动性能的影响

建立表征离心压气机叶轮积垢分布的粗糙度模型,在叶片表面生成三维、非均匀分布的粗糙带,数值研究干净和积垢状态下叶轮的气动性能和内部流场,并通过敏感性分析,找到对叶轮气动性能影响最大的积垢区域。结果表明:积垢叶轮的多变效率和总压比较干净叶轮均有显著下降;随着流量增大,性能衰减愈发明显;离心压气机叶片前缘靠近叶顶部位为气动性能对积垢的最敏感区域.研究工作为离心压气机的鲁棒设计优化奠定了理论基础。     

透平叶栅非轴对称端壁的气动最优化设计

本文应用非均匀有理B样条曲面技术实现了透平叶栅非轴对称端壁的参数化几何造型,并且以iSIGHTTM商业软件为优化设计平台,结合NUMECA软件进行数值模拟,构建了非轴对称端壁的气动优化设计系统.应用该系统对某级透平静叶轮毂端壁进行了非轴对称端壁造型的气动最优化设计.结果表明,非轴对称端壁造型将改变端壁附近的压力分布,使透平叶栅气动性能得到改善.     

离心叶轮局部粗糙度对其气动性能的影响

离心叶轮的气动性能对压缩机整体性能具有重要影响。为了研究局部表面粗糙度使离心叶轮性能恶化的程度及其作用机理，本文采用数值模拟方法将Krain叶轮的流道表面划分成若干区域，并设置不同方案在局部施加粗糙度进行研究。结果表明：粗糙的叶片比粗糙的轮盘和轮盖更能使叶轮性能发生恶化，设计点级的等熵效率比光滑条件下降2.466%，总压比下降了6.266%，同时阻塞流量降低了2.227%；轮盖粗糙度通过改变叶顶间隙泄漏流来改变叶片载荷分布；前缘粗糙度加大了边界层和激波相互作用的程度使流道更容易阻塞；叶轮性能对吸力侧粗糙度比对压力侧更敏感。     

缘线匹配技术在轴流透平设计中的应用探索

缘线匹配技术是叶轮机非定常气动设计技术,它以叶轮机相邻叶排前、后缘线空间相对位置为非定常设计自由度来进一步提升叶轮机性能,这在叶轮机定常设计框架下是不能考虑的。本文以单级蒸汽透平设计为例对缘线匹配非定常设计技术进行数值研究,初步展示了缘线匹配的应用方法及其设计验证,数值计算结果表明缘线匹配技术为叶轮机非定常气动设计提供了有效的设计自由度。     

抽油烟机内部结构的数值优化

本文通过数值模拟,详细分析了双吸抽油烟机内部电机位置和两个叶轮的宽度对抽油烟机气动性能的影响。结果显示:抽油烟机内部多翼离心风机的内置电机的位置对多翼风机内部流场的影响很大;将内置电机安装于一侧叶轮处,而保证另外一侧叶轮的流场,可以提高抽油烟机的气动性能;保持两个叶轮总宽度不变,将内置电机安装于一侧叶轮处,不断的增加非电机侧的叶轮宽度,并减小电机侧的叶轮宽度,可以显著提高抽油烟机的气动性能。     

基于进化算法和复合参数化方法的低速翼型优化

针对设计工况为Re=1×106的翼型在2°和8°两种迎角下的气动性能进行综合优化, 提升其在巡航与起飞着陆时的性能。利用气动估算软件Xfoil结合NACA 4位数参数化方法进行翼型初步优化, 缩小优化空间, 减少计算量。通过求解Reynolds平均Navier-Stokes方程的方式进行精确优化, 最后利用Hicks-Henne形函数法对翼型表面施加扰动进行细节优化, 弥补NACA 4位数参数化方法细节表现不足的缺点。实现了2°和8°两种迎角下气动性能普遍提升20%以上的效果, 并发展了一种复合参数化方法下基于改进进化算法的多目标、多步骤气动优化方法。      

油烟机内多翼离心风机的响应面优化设计

为改善油烟机的气动性能,提高最大风量工况下的整机全压,对油烟机内多翼离心风机的叶轮进行响应面优化。通过与实验数据对比,验证了本文数值模型的可靠性。使用Box-Behnken实验设计方法对叶轮的进出口安装角和轮径比进行响应面优化,结果表明,叶轮的进出口安装角和轮径比对风机全压均有显著影响;将不考虑油烟机辅助部件的简化模型与整机模型分别进行响应面优化并进行对比分析,结果表明简化模型的优化结果在整机模型中存在不适应性。对最终优化机型在不同风量工况下进行气动性能和噪音的实验测试,实验结果表明,油烟机整机全压在最大风量工况下提高了18.89 Pa,且在整个工况范围内,气动性能均显著提高,A声压级噪声没有显著变化。     

聚合物真空绝缘子表面二级微结构

为研究绝缘子表面二级微结构的耐压提升机制,将表面二级微结构拆分为两种子结构,也即是表面微孔结构与表面微槽结构,并通过复合材料制备、激光处理、酸液选择性腐蚀等方式制备出表面二级微结构与相应的两种子结构。对三种结构分别进行沿面耐压性能测试,结果表明表面微孔与表面微槽均能有效地提升绝缘子的真空沿面耐压性能,而二者组合形成的表面二级微结构能够进一步提升绝缘子的真空沿面耐压性能。该结果表明通过将表面结构进行合理的组合能够实现对绝缘子表面闪络发展的多重、协同抑制,进一步提升绝缘子的真空沿面耐压水平。     

用于固态照明的自由曲面微透镜设计

针对LED照明应用中,现有二次光学设计过程对LED初始光强空间角分布的依赖性,讨论了用于LED照明的自由曲面微透镜器件的设计方法.根据斯涅尔定律和边缘光学理论,研究了自由曲面微透镜的面形构造算法,建立了自由曲面微透镜器件的光学模型,并用光学模拟软件对其照明性能进行了模拟实验.结果显示,该微透镜器件能够在目标面上获得满足预期要求的照度分布,照明均匀度在92%以上,且其结构有效解决了LED初始光强空间角分布复杂化的现状和现有二次光学设计对光源初始光强空间角分布依赖性的矛盾.