一种高效的叶轮机叶片气动阻尼计算方法

运用叠加原理, 发展了一种可以运用于小振幅运动的叶轮机叶片非定常气动力降阶模型, 并将该模型与传统的能量法相结合, 提出了一种叶轮机叶片气动阻尼的高效求解方法. 运用该方法求解叶轮机叶片的气动阻尼系数, 对某个频率、某个模态只需要进行一次非定常计算, 就可以求出所有叶间振动相角下的气动阻尼系数, 提高了气动阻尼的求解效率. 在STCF4和NASA Rotor67两个算例上运用非定常雷诺平均N-S(RANS)方程和提出的降阶模型进行了对比计算.算例表明, 在小振幅下该方法的计算结果与RANS方程计算得到的气动阻尼系数能很好地吻合, 而计算效率相比多通道非定常RANS方程计算提升了近一个数量级, 并且该方法还可以运用于有失谐情况的颤振分析, 在工程上有较高的应用价值.      

平面叶栅气动设计的最优化理论

本文在叶栅位流及边界层理论(考虑了层流至湍流的转捩)的基础上建立了叶栅最优化命题更完善的物理模型和变分表述式,并归化为一个带有多个不等式型“控制约束”和“相约束”的最优控制问题.然后,应用分段式极大值原理与约束分离原理等~[9]来求解. 这一理论的主要特点是能统一考虑各方面(气动、强度、冷却、工艺等)的实际设计约束,故所得最优解是现实可行的,可应用于工程设计实践. 本文暂限于研究平面不可压缩流动,但本文理论可以较直捷地推广至可压缩流动和任意旋成面叶栅上去.     

涡轮冷却叶片气动与传热设计优化

提出了航空发动机涡轮冷却叶片叶栅气动与传热自动优化方法,利用函数解析成型方法实现了冷却叶片几何模型的参数化与自动生成,可以建立任意冷却内腔数量的叶片模型;基于N-S方程实现叶片流体域与固体域的流-热耦合分析;采用KS函数方法将多目标优化问题转化为单目标函数进行优化,以总压损失、叶片最高温度和平均温度最小为优化目标进行了自动优化,改善了叶片性能。     

平面叶栅气动设计的最优化理论(Ⅱ)

本文在前文[1]的基础上,进一步提出了更完密的平面叶栅最优化理论,主要改进有:1)通过积分关系法和新的人工镶配术的处理,将叶栅最优化问题归化为一个更为完密的带有多个不等式型设计约束的最优控制问题;2)改用了连续型变换术,以求解带相约束的最优控制问题;3)采用了更先进的湍流边界层解法和分离准则,本理论的主要特点是能统一考虑各方面(气动、强度、振动、冷却、工艺等)的设计约束,故所得最优解是现实可行的。本文暂限于研究不可压缩流动,但本理论可较直接地推广到可压缩流动、任意旋成面叶栅以及轴流式三元转子上去。     

轴流压气机叶片气动设计

本文概述了轴流压气机设计的基本问题和一般的解决途径。叙述了现今叶轮机械气动设计概念中所需要的理论方法和计算机工具。由此给出了将真实流体效应(例如亚音速粘性损失及激波)连系起来并引入设计过程的方法。重点放在叶片气动设计,特别是跨音速风扇和多级压气机的叶片设计上。指出了使压气机气动设计成为一门更严格的科学和将来研究的突出领域所需要增进的知识。      

约束最优控制理论及其在气动优化中的应用

为了隐式地和自动地处理气动优化中的约束条件,在Jameson的无约束控制论气动优化设计理论基础上发展了有约束的最优控制理论,建立了约束伴随方程方法,并将其成功地应用到了约束气动优化设计中.比较约束伴随方法和Jameson的原始方法,约束优化问题仅仅只需要修改最终伴随方程的物面边界条件和梯度的计算公式而其它项与Jameson原始方法中的完全相同.这表明了基于控制理论的优化方法不仅适用于含有大量设计变量的优化问题,而且也可以很方便地处理约束优化问题.     

串列叶片式前向离心风机气动与噪声特性的优化研究

对采用串列叶片的某前向离心风机内部三维非定常流动进行了数值计算,重点研究了串列叶片不同叶片相对长度和不同叶片相对周向位置两个参数对风机气动性能及气动噪声的影响.通过响应面方法对数值结果进行二次回归拟合,得到两个参数与风机效率和A声级间的函数关系,并进行了优化分析.数值结果表明:两个参数对串列叶片式前向离心风机效率和A声级均有较大影响,合理的串列叶片设计能够在保持气动性能基本不变的情况下降低风机的气动噪声.将可靠的CFD数值技术与响应面方法结合起来用于指导离心风机的改进及试验设计是可行的,本文的研究结果可为串列式离心风机在节能与降噪的总体设计方面提供参考.     

风力机叶片的三维非定常气动特性估算

结合动量-叶素理论、非定常空气动力和动态失速模型来计算风力机叶片的二维非定常气动特性,并在此基础上经过适当修正后考虑三维旋转效应的非定常气动特性。分析比较二维和三维两种计算结果,给出更为合理的计算叶片非定常气动特性的方法。计算结果表明,风力机叶片的三维非定常气动特性计算结果与二维时的计算结果相比有较大改善。     

飞行器气动参数辨识进展

飞行器气动参数辨识研究的主题,是应用系统辨识技术从飞行试验数据求取气动力,从而建立飞行器动力学系统的数学模型.它研究的对象是飞行器;解决的是空气动力学问题;采用的基本方程是飞行动力学的运动方程组;应用的研究手段是现代控制论的滤波、预测和估计理论.它是处于空气动力学、飞行力学、弹性力学和现代控制论之间的应用性研究课题. 本文综述了国内外公开发表的飞行器参数辨识研究的理论结果和实践经验,分八个专题——模型辨识,参数估计,数据预处理和相容性检验,试验设计与最佳输入,弹性与非定常效应,频域辨识,闭环辨识,辨识准度与系统验证——评述其研究进展和现状.      

基于近似技术的涡轮叶片气动优化设计

根据五次多项式方法进行三维涡轮叶片的参数化建模,采用N-S方程和湍流模型进行三维流场分析计算,以K-S函数法作为优化方法,利用近似技术加速循环优化速度,建立了一种基于近似技术的涡轮叶片的气动优化方法。将气动效率和总压比作为目标函数,对涡轮叶片进行多目标气动优化、形状优化。算例表明本文提出的涡轮叶片优化设计方法是有效的。     

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.      

径向叶片式气动马达的泄漏分析和计算

本文在考虑气体的可压缩性基础上对叶片气动马达的泄漏进行分析,并推导了相应公式。同时比较了不可压缩流动与可压缩流动的两种间隙泄漏理论的差别。还导出了气动马达具有最小泄漏面积时的最佳长径比公式,这对设计工作是有用的。     

浮式海上风力机叶片气动性能的流固耦合分析

随着深水浮式海上风电场在世界范围内的兴起,浮式平台运动性能对风力机稳定运行及叶片气动载荷影响的研究具有重要意义。基于三维粘性不可压缩Navier-Stokes方程和适用于旋转流场分析的重整化群k-ε（RNG）湍流模型,数值模拟美国可再生能源实验室（NREL）5MW海上风力机的气动性能,并将数值模拟结果与NREL的设计参考数据进行对比分析,较好地验证了该数值模拟方法的有效性。进一步利用滑移网格技术模拟风力机叶片随浮式平台的典型周期性运动,实现浮式风力机叶片与周围流场的复杂非线性流固耦合分析,分别研究浮式平台不同运动幅值和运动周期对风力机叶片气动性能的影响规律,并从物理机理角度进行阐明分析。本文的主要研究成果,将对未来大型深水浮式海上风力机的气动性能分析及浮式平台系统的运动性能设计起到积极的指导作用。     

浮式海上风力机叶片气动性能的流固耦合分析

随着深水浮式海上风电场在世界范围内的兴起,浮式平台运动性能对风力机稳定运行及叶片气动载荷影响的研究具有重要意义。基于三维粘性不可压缩Navier-Stokes方程和适用于旋转流场分析的重整化群k-ε(RNG)湍流模型,数值模拟美国可再生能源实验室(NREL)5MW海上风力机的气动性能,并将数值模拟结果与NREL的设计参考数据进行对比分析,较好地验证了该数值模拟方法的有效性。进一步利用滑移网格技术模拟风力机叶片随浮式平台的典型周期性运动,实现浮式风力机叶片与周围流场的复杂非线性流固耦合分析,分别研究浮式平台不同运动幅值和运动周期对风力机叶片气动性能的影响规律,并从物理机理角度进行阐明分析。本文的主要研究成果,将对未来大型深水浮式海上风力机的气动性能分析及浮式平台系统的运动性能设计起到积极的指导作用。     

3MW叶片翼型设计与气动特性分析

对于大功率叶片的设计研究，翼型的选择和气动特性分析是重要内容。考虑到叶片的整体结构和气动特性，叶片在主要输功区域布置了风力机专用的DU系列翼型，叶尖部分布置NACA64系列翼型，能满足雷诺数较大，阻力小的要求。在确定截面翼型的基础上，结合Wilson理论设计模型初步算出翼型的轴向、周向诱导因子，叶尖、轮毂损失因子等具体...     

叶轮机内部流场的修正Taylor—Galerkin（MDTGFE）有限元法

首先改进了ＴＧＦＥ的基本假设考虑前后时间步之间的非线性效应，对流函数－涡量方程进行有限元离散，得到了修正Ｔａｙｌｏｒ－Ｇａｌｅｒｋｉｎ算法的有限元离散公式。采用这种方法，我们计算了后台阶绕流流动。另外，还用本方法的思想计算了叶轮机内部准三元流动。     

高速列车气动外形优化研究进展

随着运行速度的提升,高速列车对气动外形的要求也越来越高,追求性能优异、美观大方的气动外形是新型高速列车研发的一个重要方向.基于当前高速列车外形研发的思路,可以将气动外形优化概括为基于流场机理的改型优化和基于优化算法的外形优化两类.本文简要回顾了当前国内外在这两类优化途径上的系列工作,着重介绍了作者所在团队近年来做过的一...     

高速列车气动外形优化研究进展

随着运行速度的提升, 高速列车对气动外形的要求也越来越高, 追求性能优异、美观大方的气动外形是新型高速列车研发的一个重要方向. 基于当前高速列车外形研发的思路, 可以将气动外形优化概括为基于流场机理的改型优化和基于优化算法的外形优化两类. 本文简要回顾了当前国内外在这两类优化途径上的系列工作, 着重介绍了作者所在团队近年来做过的一系列气动外形优化工作. 在基于流场机理的改型优化上, 着重从"和谐号"和"复兴号"这两款主力车型的外形研发上探讨其改型优化的思路, 主要探讨了空调导流罩、受电弓平台、风挡和转向架裙板几类对列车阻力影响较为明显的部件的优化设计,并介绍了其相对于上一代车型在气动性能上的提升. 基于优化算法的外形优化方法,则因循气动外形优化流程, 在列车外形已经具有较好性能的基础上,以高速列车头型流线型为主要优化对象,分别从高速列车参数化方法、替代模型开发以及优化算法改进三个方面进行介绍.其中,高速列车参数化方法主要介绍了局部型函数法、修正车辆造型函数法和类别/形状函数法三类;替代模型开发介绍了最优化替代模型和基于交叉验证的Kriging模型; 在优化算法的改进上介绍了改进的非劣分类多目标粒子群算法和连续域混沌蚁群算法两方面的内容.基于上述三个方面介绍了气动外形优化策略在典型工程上的应用案例.      

模态理论的进展

传统模态理论的基本思想,近年来得到进一步发展和完善,并被引伸到非线性结构振动分析、应力应变振动分析等领域中,发展迅速．本文在总结近年来国内外文献的基础上,根据笔者自己的研究,较系统地介绍了线性位移实模态、复模态分析,广义模态分析,非线性结构系统模态分析,应力应变场模态分析等方面的研究情况．      

计算气动声学的问题、方法与进展

本文简要介绍了气动声学理论的发展和现状,探讨了用数值方法处理气动声学问题的必要性和必然性,指出此方面研究急待解决的问题是建立准确模拟波运动特征的差分方程和无反射边界条件处理,最后讨论了在有限条件下可作先行研究的数值方法和理论问题．