对转压气机内叶排干涉效应的数值分析

本文数值模拟了设计工况下对转压气机内部非定常流场,分析了对转压气机内导叶与转子之间以及转子与转子之间的干涉效应对整机的非定常影响。结果表明,两排转子交界面上的非定常流量波动最剧烈,说明两排转子之间动/动干涉的强度大于导叶与转子之间的动/静以及静/动干涉强度;通过典型叶高处的非定常流场分析,结合不同叶排进口处的非定常脉动强度分析,对转压气机内部的设计和流动机理有了深入认识,各排转子进口处的非定常脉动强度沿着流向增强,由于出口导叶与上游转子间的轴向间隙特别小,出口导叶进口处非定常脉动最为强烈。     

轴向间隙对动 /静相干叶排内部非定常特性的影响

本文采用文献［3,4］所发展的滑移界面技术,求解了不同轴向间隙时某一透平级内的非定常流场, 发现轴向间隙由0.152倍栅距变化到0.533倍栅距时,监测点速度u的相对振幅由26.27%下降为7.94%; 速度v的相对振幅由21.34%下降到7.3%。计算结果表明轴向间隙的增大将使动/静叶排间的相互干扰作用减弱,从而使其内部非定常流动特性减小,为设计工作提供了参考依据     

跨声速动叶弯和掠对非定常气动负荷的影响

对一单级跨声压气机设计工况下采用三种弯、掠动叶后的非定常流场分别进行了数值模拟,分析了动叶弯、掠对叶片气动负荷的非定常影响。研究结果表明:与原型动叶相比,三种弯、掠动叶由于改变了动叶气动负荷的分布苇心,其气动力矩的时均值都发生了明显的改变;动叶弯、掠使动叶和静叶气动负荷参数随时间的波动幅值明显降低,有益于动、静叶的强度保证;四种压气机模型动叶和静叶的气动负荷参数随时间的波动曲线的相位都发生了变化。     

叶轮与叶片扩压器相干非定常流动的数值模拟

本文采用了不对粘性项作任何近似的时间倾斜算子,来处理转子和静子栅距不相等时的周期性边界条件施加时所出现的问题。对某一离心压缩机进行了非定常的数值模拟,并把其结果同实验测量数据和商用软件的结果进行了比较。结果表明两种非定常计算方法比定常计算结果更接近于实验测量值,定常的计算结果在某些测量平面上不能充足地预测出流场结构,本文所发展的时间倾斜算子的计算程序在总体上同实验测量结果吻合最好,应用其能很好地预测离心压缩机级的非定常流动。     

轴流叶轮机三维粘性非定常流动计算的双时间方法

采用双时间方法研究了单级跨音速压气机的三维非定常粘性流场计算问题,以ＬＵ－ＳＧＳ隐式解法快速获得虚拟时间域的定常解。对某跨音速单级压气机同时进行了双时间方法和显式方法的非定常流数值计算,双时间法与ＬＵ－ＳＧＳ隐式解法相结合的非定常粘流计算模式可以显著地节省计算时间。     

时间倾斜算子在离心压缩机动/静相干非定常模拟中的应用

本文介绍了用时间倾斜算子来处理非定常计算中非等栅距的方法。通过引入时间倾斜算子对N-S方程进行转化,而不对几何结构作任何改变,且所计算的叶片通道数小,以确保有较好的计算效率。粘性的影响被归类到源项中来进行求解,在作时间倾斜的方程转换时,就不用忽略粘性应力项的影响,使得方程的求解更为真实。同商用软件的计算结果进行了比较,结果表明应用本文所发展的程序,能很好的预测离心压缩机级的非定常流动。     

弯掠动叶对跨声压气机非定常气动负荷的影响

对一单级跨声压气机设计工况采用弯掠动叶前、后的非定常流场进行了数值模拟,深入分析了动叶弯掠对压气机叶片非定常气动负荷的影响.结果表明t动叶弯掠后,动、静叶的气动力和气动力矩时均值由于叶片负荷大小及分布的不同变化而产生不同程度的改变;由于动叶对下游静叶的尾迹和二次流干扰远强于动叶所受到的下游静叶的势流干扰,静叶的气动负荷发生较大波动;弯掠动叶减轻了端壁损失并且减弱了顶部泄漏涡强度和根部角区分离,从而减弱了对下游静叶的非定常干扰,这使得静叶各气动参数的波动幅值显著降低.     

离心压气机非定常流动频域特性

以涡轮增压器56 mm离心压气机为研究对象,采用定常流动求解方法,对其三种不同转速下的工作特性进行了预测并与实验进行了对比分析;应用相延迟方法,对高转速近失速点工况下压气机内部的三维非定常流动进行了数值模拟及频谱分析,对叶轮流道、无叶扩压器以及蜗壳内的流动频谱特性进行了初步分析.频域分析表明,对于本文所研究的离心压气机,非定常脉动特性主要表现在叶轮流道中,是诱发压气机气动噪声的主要因素,而在蜗壳内,非定常脉动特性显著减弱.     

动叶尾迹对跨声速压气机静叶非定常分离结构的影响研究

采用数值模拟的方法研究了动叶尾迹对跨声速压气机设计工况下静叶表面和下端壁分离结构的非定常影响规律。首先,采用Rotor37的实验结果验证了数值模拟方法的可靠性。通过对跨声速压气机设计工况的计算,认为定常计算和非定常计算的结果整体上是相似的,非定常计算考虑了动叶尾迹对静叶流场的影响。研究表明,动叶尾迹在向下游输运过程中经历了拉伸、扭曲、积聚和耗散的过程。动叶尾迹使动静叶交界面气流角发生周期性波动。动叶尾迹的扫掠,使静叶前缘闭式分离区域范围发生先增大后减小的周期性波动,使静叶尾缘分离形式呈现由闭式分离向开式分离的周期性转化。动叶尾迹的扫掠在马蹄涡吸力面分支前诱导出一个小尺度的旋涡,并使得静叶根部尾缘和下端壁角区处的螺旋点拓扑结构呈周期性变化。动叶尾迹的扫掠使得静叶压力面的局部高静压区发生周期性的迁移。     

离心压气机叶排间涡脱落及气流脉动行为研究

对某一带叶片扩压器跨声速离心压气机内部三维非定常流场进行了数值模拟,依据计算结果描述了叶轮叶片尾缘尾迹涡脱落行为,给出了叶轮尾缘脉动压力频谱特性图和叶轮出口位置脉动速度动能分布图。研究结果表明,主叶片与分流叶片尾缘尾迹涡脱落过程交替进行;转静干涉和转子叶片尾缘的涡脱落行为是造成叶轮尾缘气流脉动行为的主要原因,随着时间的...     

一个跨音风扇级转/静干扰流动的时间精确模拟

本文采用双时间步法,较为方便地将孤立叶排定常流场求解拓广为转／静干扰非定常流场时间精确求解,而且该流场时间精确求解方法收敛速度较作者最初工作有较大提高．文章通过对一跨音风扇级非定常流场时间精确模拟,对叶轮机非定常流动建立了一定理解．     

对转压气机叶顶间隙涡非定常数值研究

以双排对转压气机为研究对象,研究了叶顶间隙对对转压气机性能参数的影响规律。针对大叶顶间隙时对转压气机性能严重恶化问题,从非定常的视角刻画了大叶顶间隙下,工作点变化对其内部流动特征的影响规律,结果表明:随着流量减小,对转压气机中上、下游转子叶尖泄漏涡非定常波动均有增强趋势,下游转子首发失速是对转压气机流动失稳的主要诱因。小流量工况下,叶顶主间隙泄漏涡与次泄漏涡的非定常干涉是下游转子内部非定常波动的主要成因;该工况时,下游转子叶顶间隙涡非定常周向波动强度强于径向波动强度,其影响范围也主要表现在叶顶前缘50%弦长范围内。频谱分析显示,上游转子叶尖泄漏涡非定常波动频率略小于下游转子区,下游转子区静压波动幅值约为上游转子的5倍。     

用于非定常流动的谐波平衡方法研究

在课题组自行开发的结构化有限体积代码上实现了用于非定常流动计算的谐波平衡方法,采用作者发展的Block-Jacobi Rnnge-Kutta/Implicit方法求解谐波平衡方法,将其应用于单级轴流压气机的非定常计算,并将谐波平衡方法的计算结果与时间推进方法进行了对比。结果表明,谐波平衡方法能够较好地预测多排叶轮机械中的非定常流动,计算中取较少的谐波数即可达到较高精度,与时间推进方法相比计算量显著减少。     

低速轴流压气机单转子旋转失速三维数值模拟和实验比较

本文通过求解三维不可压N-S方程,对三级低速轴流压气机第一级的孤立转子进行数值模拟,在出口加上节流阀进行了非定常计算,得到了失速先兆的特性,并且与压气机失速实验进行了比较。结果表明,计算与实验的特性线符合较好,单转子三维计算与压气机三级实验中第一级转子在失速先兆和失速团的特性一致。并且数值失速过程中动叶通道内部动态压力的变化与实验结果也很接近。     

旋涡动力学方程非定常动边界条件

详细讨论了旋涡动力学方程非定常动边界条件。给出了任意非定常运动边界上速度旋度的确定方法。并采用了“局部线性化及再校正”技术、时间滞后求解方法，求解每一时间步边界上速度旋度值。这样可以很大程度上节省计算时间。并讨论了数值实验结果，指出动边界问题的非线性特征，对这样复杂的非线性问题不宜作过份简化。     

多级压气机非定常流场数值分析

通过双时间步求解三维非定常N-S方程,获取多级压气机内部非定常流场细节,为深刻认识多级、逆压环境下叶轮机内部非定常流动特征,进而提高其性能提供有益参考,分析结果表明:动/静叶排相干对下游静子叶片表面压力分布影响随着半径增大而增大;当上游尾迹输运至下游叶片通道时,低能量气流团将会充分与主流掺混,可能导致损失增加,当上游尾迹区域输运至下游静子前缘时,对应的叶栅通道低马赫数区域相对较小;由于下游静子叶片的位势作用,其对上游转子叶片尾缘流动结构产生较大影响,随着流面半径增大,下游叶片对上游流场的位势作用愈明显,非定常分离流动形式差别愈大.     

单级跨音压气机非定常伴随气动优化

在多排叶轮机械中,动静叶干涉会在流场中产生强烈的非定常效应。公开文献中现有的多排叶轮机械气动优化设计均采用基于混合平面法的定常模型,无法考虑流动的非定常特性。本文采用课题组自行开发的多排叶轮机械非定常伴随气动优化系统,对某单级跨音压气机动叶进行了非定常气动优化设计,优化过程中采用谐波平衡法高效求解非定常流场和非定常伴随场。优化目标为降低压气机级的进出口熵增,同时限制流量和压比不低于原始设计,并控制叶片最大厚度的变化幅度。优化结果表明,本文伴随气动优化系统能够高效地对多排叶轮机械进行非定常气动优化设计。     

喷气对低速轴流压气机转子叶顶区域流动的影响

本文采用数值模拟方法研究了近失速工况动叶顶部前缘附近喷气对低速轴流压气机孤立转子叶顶区域流动的影响.受喷射气流的影响,叶顶泄漏流进行自发非定常波动的动态平衡被破坏,建立起新的周期性非定常波动;喷气不仅改变了叶顶泄漏流的起始触发位置,还影响到其形成后的形态和运行轨迹;且喷气后叶顶附近区域损失减小.     

船舶无空泡螺旋桨非定常推力脉动及其诱导线谱噪声分析

对船舶无空泡螺旋桨非定常推力脉动及其诱导的线谱噪声进行了研究,主要目的在于螺旋桨非定常推力脉动理论预报方法的验证。基于速度势面元法计算得到非均匀流场中无空泡螺旋桨的推力脉动,在大型循环水槽中利用非定常动力仪测试得到全附体船后螺旋桨的脉动推力,以脉动推力作为声源项预报得远场线谱噪声。一阶叶频非定常推力系数理论计算值与试验值最大相差29.3%,由此引起的线谱噪声差别为3.0 dB。上述结果表明,面元法预报船后螺旋桨非定常推力脉动已达到较高精度,为船舶螺旋桨低频线谱噪声的预报提供了物理基础和重要参数。      

轴向斜缝机匣处理与转子通道之间耦合流动分析

轴向斜缝机匣处理能够有效地扩大压气机的稳定工作范围,本文对轴向斜缝处理机匣与亚音速压气机转子通道之间的耦合流动进行了时间精确的全三维数值模拟,数值结果所获得的总性能与试验结果符合较好。详细分析了处理机匣与转子通道之间非定常干涉现象以及处理机匣结构引入后转子顶部区域不同的流场结构,数值计算结果表明,对具有高损失高阻塞效应的间隙泄漏流及其间隙泄漏涡的控制是轴向斜缝机匣处理扩大压气机稳定工作裕度的主要原因。