机匣周向槽抽吸影响跨声速压气机转子性能的数值研究

利用数值模拟的方法对跨声速压气机模拟分析。针对叶尖流道中因激波及叶尖泄漏涡等导致的复杂二次流动,利用叶尖周向抽吸槽改善跨声速压气机叶尖流动状态。其结果表明:在近失速工况下叶尖周向抽吸槽有效削弱了叶尖低能损失流动,在合理范围内大流量抽吸会使抽吸效果更好。     

跨音压气机转子近失速工况叶尖非定常流动分析

对跨音压气机Rotor35进行单通道全三维定常/非定常数值模拟,并与试验总性能和流场分布对比校核了数值计算精度。以此为基础开展的近失速工况点的非定常计算发现,来自相邻叶片通道未形成泄漏涡的间隙泄漏流体与来流、激波与泄漏涡干涉形成的低能破碎区相互作用形成了叶尖二次涡。叶尖二次涡向下游运动过程中,其所处的位置和产生的阻塞影响了近叶顶载荷的分布,最终使得叶尖部流场出现了循环往复的自维持的非定常波动现象。     

DES模型在压气机亚音转子中的应用探讨

本文运用分离涡模拟(DES)方法研究了不同工况下压气机亚音转子的流动情况,分析了其时均与瞬时流场中顶部间隙泄漏流动和根部角区的流动分离.通过与S-A模型计算结果的对比表明,DES模型在模拟顶部泄漏流动及二次泄漏、泄漏流在转子下游与尾迹的干涉时能够捕捉到更强的旋涡结构,在模拟转子根部角区的分离时也能获得更为丰富的流动现象.对不同工况的DES计算表明负荷的上升会使泄漏涡形成的位置向上游移动,从而导致并加剧二次流动,并对叶栅下游泄漏涡与尾迹的干涉产生影响.对设计工况下瞬时流场的分析表明,泄漏涡在叶栅下游体现出周期性的强弱变化,近叶根分离区也体现出明显的非定常性.     

压气机转子叶尖泄漏的DDES研究

叶尖泄漏是压气机中的典型流动,但其机理仍没有完全揭示。本文使用延迟脱落涡模拟方法对压气机转子的泄漏涡进行模拟计算,以便更好了解泄漏流动的运动过程。为了清楚地认识叶尖泄漏的流动结构,本文研究了三维流线、压力和涡量云图。从近堵点到近失速点,泄漏涡形成和失稳的位置都向前缘移动。泄漏流的瞬时流动和平均流动存在差异,据其可将泄漏涡的发展分为3个阶段。另外,泄漏涡的失稳会导致频谱中泄漏主频右侧的高频区域振幅增加。     

具有叶尖小翼的压气机叶栅间隙流动分析

采用数值模拟方法对利用不同安装方式叶尖小翼控制压气机叶栅间隙流动进行研究。结果表明,不同安装方式叶尖小翼都可以有效降低叶顶泄漏流速,削弱泄漏涡强度。叶尖小翼改变了叶尖负荷及泄漏涡运行轨迹,进而影响了叶尖流场不同涡系之间的相互作用。吸力面小翼削弱了泄漏涡,抑制了通道涡的发展,使得叶栅总损失降低。压力面小翼及组合小翼削弱了泄漏涡,但增强了通道涡及其与泄漏涡之间的相互作用,叶栅总损失增加。     

跨声速压气机转子叶尖涡系结构分析

本文以NASA rotor 35为研究对象,采用定常和非定常数值模拟方法对其全稳定工况范围内的流场进行了数值模拟。以此为基础,将广泛应用于旋涡结构识别的特征向量法和Lambda 2方法引入到压气机叶尖流场的分析中。流场分析表明:当在流向涡稳定发展时,lambda 2方法和特征向量法均可以准确地提取叶尖流场中的主要涡旋;当流向涡结构遭到破坏时,lambda 2方法在涡破碎区失效,而特征向量法则可以更为深入地描述破碎区的情况。从阻塞工况到近峰值效率工况,叶尖通道中除了主间隙涡之外还有若干二次间隙涡,二次间隙涡的分布与通道中激波的变化紧密相关;而从近峰值效率工况到失速边界工况,叶尖涡系不再发生变化,但主间隙涡与激波干涉效应不断增强,叶尖流场先后历经了激波后近压力面侧低速阻塞区的出现、主间隙涡的泡式及螺旋式破碎。     

离心压气机叶尖间隙泄漏流动数值研究

采用离心压气机计算机辅助设计系统,设计了一个离心压气机叶轮,对这一叶轮在不同叶尖间隙下内部流场进行了数值计算。给出了不同弦长截面二次流矢量、二次流流以及机匣壁面极限流线等计算结果。结果表明叶尖间隙的大小与泄漏流动的强度密切相关。分流叶片的泄漏流动随着叶尖间隙的增大而增强。通道涡与合适的叶尖间隙所形成的泄漏涡相互作用可以削弱泄漏强度,改善流动。     

用于叶轮机械复杂流动的网格自适应方法

高质量的网格生成是叶轮机械复杂流动准确预测的关键技术之一。目前在大部分结构网格生成过程中,网格拓扑及局部网格密度均基于经验或粗略的估计,此类网格一般需要根据计算结果进行手动调整。本文发展了基于多块贴体结构化网格的网格自适应技术以达到自动调整局部网格密度并在不严重增加计算量的前提下改进计算精度的目的。本文基于真实物理流动机理,提出了有效的网格加密判据,可以自动判断激波和涡等复杂流动。在此基础上本文发展了可以保证网格质量的贴体网格加密技术。通过一系列算例验证了本文发展的网格自适应技术的有效性和实用性.结果表明:本文方法可以自动捕捉流动细节并根据当地流动尺度自动调整局部网格尺度;同时相对于全局网格加密,本文方法可以达到改进精度和节省计算量之间的平衡。     

轴流压气机内部流动失稳及机匣处理扩稳机理探索

本文首先利用动态测试手段和非定常数值模拟手段探讨了亚音速条件下叶顶复杂流动机制触发轴流压气机内部流动失稳机制.然后利用全三维非定常数值模拟技术对二种不同处理机匣与亚音速压气机转子叶顶流场之间的耦合流动机制进行了详细的分析,对比分析了处理机匣引入前后压气机叶顶流场结构的变化,研究结果表明:顶部间隙泄漏流所导致的堆积在叶片通道相邻叶片压力面附近的阻塞是触发该压气机内部流动失稳的主要的机制,而处理机匣结构能够抑制或者吸除叶顶区域由于顶部间隙泄漏流导致的阻塞,推迟相邻叶片压力面前缘附近间隙泄漏流溢流的出现,从而提高压气机的失速裕度.     

超黏性激波捕捉技术在激波/火焰相互作用问题中的应用

本文基于时空三阶精度的两步泰勒伽辽金有限元高阶格式(TTGC)上实现了一种超黏性激波捕捉技术.该激波捕捉技术通过引入网格相关的体积黏性项和剪切黏性项以提高对激波/湍流相互作用过程的捕捉精度和可靠性.利用经典的一维SOD激波管算例和一维Shu-Osher算例对此激波捕捉技术进行了数值验证。并将该技术用于模拟了激波与火焰的相互作用问题,分析了火焰的演化过程及激波/边界层相互作用过程,揭示了分叉结构对火焰传播特性的影响.研究表明超黏性激波捕捉技术能够有效捕捉超声速反应流中的激波、湍流和边界层等复杂流动信息,同时能很好地控制激波附近的数值耗散现象.     

跨音速离心叶轮叶尖区域流动的数值分析

本文以压比为6.1的跨音速离心叶轮为研究对象,采用定常和非定常数值模拟分析了叶尖区域激波与泄漏涡的相互作用和泄漏涡的非定常特征。随着流量减小,激波与泄漏涡的相互作用增强,最终导致泄漏涡破裂。小流量下泄漏涡的破裂引起叶片载荷的变化,叶片载荷的变化反过来影响泄漏涡的强弱,如此形成一个非定常循环过程。单通道模拟得出非定常流动的频率为0.668 BPF,双通道和三通道模拟得到的频率则为0.88 BPF。但三种模型得出的非定常机理相同。     

吸力面小翼对扩压叶栅旋涡结构的影响

本文采用经过实验校核的数值模拟方法对某压气机动叶原始叶型和吸力面叶尖小翼叶型流道旋涡结构进行了详细分析.结果表明,原始叶栅流道中存在四个旋涡,即上通道涡、下通道涡、下集中脱落涡和叶顶泄漏涡。吸力面叶尖小翼的应用使得叶栅流道内的旋涡结构发生了变化,叶尖小翼抑制了叶顶泄漏涡的强度,从而使得上集中脱落涡得以出现,同时还使得叶顶泄漏涡的衍生涡被撕裂成两个衍生涡.正是由于叶尖小翼改变了叶栅流道内的旋涡结构,使叶栅流场的气动性能得到了改善.     

冷气条件对涡轮转子凹槽叶尖泄漏控制的影响

通过数值模拟方法对涡轮转子凹槽叶尖泄漏流动进行研究,分析了冷气条件下凹槽腔内流动结构,研究了气冷凹槽叶尖控制泄漏损失机制,并探讨了凹槽叶尖泄漏损失对凹槽深度、间隙高度和肋条宽度的敏感度。结果表明在有冷气条件下,凹槽叶尖主要通过刮削涡降低控制叶尖泄漏损失;冷却射流在凹槽腔内形成的肾型对涡结构与腔内流动相互作用,减弱了刮削涡对泄漏流的控制作用,并降低了凹槽叶尖泄漏损失对凹槽深度的敏感度。     

某跨音速轴流压气机转子叶顶泄漏流的非定常特征

本文采用数值模拟方法研究了某跨音速轴流压气机转子在设计间隙、不同流量工况下叶顶泄漏流非定常流动特征.结果显示该转子在大部分工况下都出现非定常波动现象.静压均方根值分布表明非定常波动现象主要存在于叶顶,是由叶顶泄漏流自激非定常性引起,激波及波涡干涉位置附近波动不明显.针对小流量工况,分析了泄漏流的非定常特征和叶顶拟S1流面瞬态静压在一个波动周期内随时间的变化规律,并详细阐述了间隙中部叶顶两侧压差与泄漏流速度之间的动态循环过程.随流量减小,叶顶非定常波动频率减小,波动强度增强,压力面最强的波动区域向前缘移动.     

跨音轴流压气机转子叶尖喷气扩稳机理分析

对跨音压气机Rotor35进行了多通道全三维定常/非定常叶顶喷气数值模拟。数值计算所获得实壁机匣总性能与试验结果符合良好。计算表明使用3.6%转子堵塞流量的叶顶喷气量可以获得21.4%的扩稳效果。定常计算结果显示叶顶喷气重点影响0.9叶展以上区域,使得该区域进气攻角和扩散因子减小,从而降低叶顶载荷,减小了由激波和泄漏涡相互作用形成的通道堵塞。非定常计算结果显示,叶尖喷气的扩稳效果来自两方面:一是对某一叶片叶顶的卸载作用;二是对激波/泄漏涡干扰形成的低能区重新注入轴向动量。后者对通道流通的改善作用大于前者。非常高的喷射频率使得叶顶喷气能够抑制每个通道中低速区的进一步增长,从而实现了对压气机的扩稳。     

超高负荷串列转子尖部流场结构的实验和数值研究

串列转子尖部存在着前/后叶叶尖泄漏流以及前叶尾迹等流动,流动结构较为复杂,准确判断这几股流动之间的相互作用成为分析流场的关键。本文分别通过实验和数值模拟方法对基于北京航空航天大学低速大尺寸单级压气机试验台设计的一套超高负荷串列转子尖部流场进行了研究。研究结果表明：对于本文所研究的高负荷串列转子,无论是在设计点还是近失速点,前叶叶尖泄漏涡在前叶出口时都已经到达前叶压力面附近,随后紧贴后叶吸力面从喉道进入后叶通道,在喉道内顺压梯度的作用下,前叶叶尖泄漏涡的旋涡特性增强,并在后叶通道内将相对较弱的后叶叶尖泄漏涡吞并;相对于常规布局转子,由于在前后叶喉道顺压梯度的作用下,串列转子内叶尖泄漏涡的稳定发展阶段都有所延长,这有利于减小叶尖泄漏涡造成的转子尖部流动堵塞。     

叶尖小翼对扩压叶栅气动特性影响的数值研究

通过在叶片顶端加装小翼来降低叶顶二次流的叶尖小翼技术在叶轮机械领域受到关注。本文对具有不同叶尖小翼方案的压气机叶栅进行了全三维数值模拟,并详细分析了叶尖小翼对叶顶间隙流场的影响.结果表明,合理选择叶尖小翼的安装位置及自身宽度可以在一定程度上降低叶顶泄漏损失,在叶顶吸力面侧加装宽度为5 mm的小翼可以较好的削弱泄漏流动的强度,减少泄漏涡卷吸起更多的吸力面/端壁角区的低能流体及较早地阻止上通道涡的形成和发展。     

纳秒脉冲等离子体激励控制低雷诺数压气机叶栅激波/附面层干扰探索研究

为了揭示等离子体激励调控低雷诺数压气机叶栅激波/附面层干扰的机理,本文选取典型超音速压气机预压缩叶型,利用大涡模拟研究了纳秒脉冲等离子体激励对低雷诺数下超音速压气机叶型附面层流动的调控作用。首先对低雷诺数工况下超音速压气机叶型流动特性和叶栅通道激波系结构进行了研究,以此设计了两种等离子体激励布局。研究发现,位于叶片吸力面和压力面附面层分离点前的等离子体激励均可通过诱导产生畸变团,触发分离剪切层的K-H不稳定并进一步形成展向大涡结构,促进主流与分离区低能流体之间的掺混从而抑制流动分离。同时叶栅通道激波系结构发生改变,分离区形态与通道激波位置相互关联耦合,附面层黏性损失和激波损失占比变化不尽相同。     

吸力面小翼对扩压叶栅间隙泄漏的影响

采用数值模拟方法对利用吸力面小翼方式控制压气机叶栅间隙流动进行研究。结果表明,附加吸力面小翼可以降低叶顶泄漏流速,削弱泄漏涡强度,使得泄漏涡区损失降低。不同宽度吸力面小翼在不同间隙下部可以较好地减少叶尖泄漏,在叶顶间隙为3.3%叶高时,附加相对宽度为0.5的吸力面小翼可使损失降低4.7%。叶顶压差的降低及对泄漏涡结构的改变是吸力面小翼降低泄漏掺混损失的主要原因。     

基于DDES模拟的叶顶间隙流湍流特性研究

叶顶间隙泄漏流使得叶片顶部流动变得复杂,对间隙泄漏流的流动结构进行精细地捕捉并探讨其湍流特性有利于更深入的了解间隙泄漏流的流动机理,为控制泄漏损失提供依据.本文利用延迟脱体涡模拟方法对叶顶间隙泄漏流动进行非定常数值模拟;然后从叶顶间隙流的流动涡结构演变,湍动能和各向异性等方面研究叶顶间隙流的湍流特性;利用POD模态分解...