三维跨声速多级压气机中的非定常压力频域分析

为揭示跨声速多级压气机中非定常压力的脉动频谱结构,基于三维定常Denton程序发展了三维非定常计算程序,对三维跨声速多级压气机近失速点进行了定常与非定常数值模拟,并在此基础上对三个典型径向截面的非定常压力进行了频域分析。结果表明:通过对非定常频域图谱的研究,从一个全新的视角来分析非定常流场,可以看到在时域流场中很难直观看到的出口数值反射等现象;在压气机静子的结构设计中,如果某级静子后续的转子工作在跨声速工况下,则该级静子尾缘处会受到较大的非定常气动力作用;多级压气机中后面级叶排频谱结构较为丰富,通过频率的4倍频振幅分量依然较大,在进行动态压力传感器的选型时需要考虑这点。     

振动叶栅中尾迹/激波相干的数值研究

研究了尾迹/激波相干对振动叶栅非定常流动的影响.数值方法利用了先进的谐波方法.该方法基于傅立叶变换,把叶栅非定常流变量分解为一时间平均量和若干谐波分量,继而,时域非定常N-S方程被转化为频域定常傅立叶系数方程.定常傅立叶系数方程的求解采用了伪时间推进方法.为加速数值解收敛,采用了本地时间步长和多重网格技术.通过NASA67转子算例结果表明:上游尾迹对振动叶栅非定常流动具有显著影响.当存在尾迹相干时,叶片通道内的激波在轴向方向上表现出较大的漂移运动,叶片所受的非定常力幅值变大,同时失去了时间周期性.      

1+1/2对转涡轮全环非定常数值模拟

采用三维数值模拟方法对1+1/2对转涡轮进行了全环非定常计算,对比了定常结果与非定常时均结果的总体参数。在非定常流动中,分析了激波、尾迹、位势作用及泄漏流等因素对叶片表面负荷分布和局部区域流场的影响。结果表明:非定常效应对高压导叶流场影响很小;在激波、尾迹、位势作用等的共同影响下,高压动叶内流动呈现出较强的非定常性,二次流动增强;低压动叶方面,虽然与上游叶排轴向间距较大,但其流动非定常性依然显著,且受影响范围更广。     

轴流压气机转静二维非定常薄层N-S数值模拟

采用非定常薄层Navier-Stokes紊流运动方程来描述一跨声轴流压气机中径处的二维转-静非定常流场，速度脉动的相关分析表明转子尾迹对静子的热流流场几乎没有什么影响，而粘性的影响取决于叶片排之间的轴向距离。     

一种快速模拟振荡叶栅非定常流的数值方法

为了提高叶轮机内周期性非定常流数值计算效率,发展了一种计算振荡叶栅非线性非定常流的谐波平衡方法,将周期性非定常流动参数采用傅里叶级数表示,从而将传统的定常流动数值计算方法应用于非定常流问题求解中,大大提高了非定常流计算效率。计算结果表明,发展的谐波平衡方法与线性方法、非线性时域法计算结果吻合较好,且其计算效率比时域法高1个数量级。另外,系统研究了谐波阶次对计算效率与计算精度的影响,认为在气流未出现严重分离时,应采用低阶谐波平衡方法,以减少计算耗时。此外,从压气机振荡叶栅非定常流场计算结果可以看出,叶片吸力面诱导涡的生成频率与振荡频率并不一致,涡生成频率要高于振荡频率。     

双级风扇三维粘性非定常流动的数值解

针对一台双级跨音速轴流风扇动静叶片排相互干扰的三维非定常流动,进行了N-S方程的数值求解。首先计算风扇定常流场,以定常流收敛结果为起始场计算非定常流动。计算结果表明,非定常流动对各叶片排进口气流角有较大的影响,其中静叶的变化大于动叶,与定常流结果相比,非定常的瞬态攻角增大的量大于减少的量,最多时增大近10°左右。静子叶片受到的非定常气动力变化幅度也大于转子叶片,叶片排所处的轴向位置不同,非定常流动的影响会有较大的差别。      

脉动背压下涡轮增压离心压气机入口流场试验

为了研究离心压气机在强脉动背压下的入口流场分布,研制了用于非定常流场测量的全自动二维步进装置。使用该装置结合一维热线风速仪测量了不同脉动频率、时均流量下离心压气机入口非定常流场分布。结果表明：背压脉动时,离心压气机入口速度与气流角在周向及径向分布形态均随背压变化呈大幅周期性振荡,且气流角在叶尖处的变化幅度显著高于叶根处。蜗壳上游周向角区内轴向速度显著低于下游,且该周向畸变强度随频率及时均流量增加而增强。径向气流角最大差异出现在约85%叶高处:小流量时最大气流角差异为8°,大流量时为12°。研究探明了脉动背压工况下离心压气机入口流场的非定常演化规律,为针对实际工况的压气机优化设计理论提供了试验基础。     

组合压气机中导流叶片的尾迹抖动特性

为明确多排叶栅压气机中影响静叶尾迹抖动特性的因素及机理,探索调制静叶尾迹抖动周期和幅值的方法,采用数值方法对设计流量为1.12kg/s,转速为60000r/min的一级轴流和离心叶轮组成的组合压气机的非定常流场进行模拟.结果表明:静叶尾迹抖动除受几何因素影响外,还受上下游转子干涉影响,且上下游转子叶片通过频率的异同将影响静叶尾迹抖动的周期性.当上下游转子叶片同频通过时,改变动叶的时序位置可以调制静叶尾迹抖动幅值的大小.另外,静叶尾迹抖动幅值沿叶高方向并不相同,低叶高处静叶尾迹抖动幅值明显大于中、高叶高处静叶尾迹抖动幅值.      

组合压气机中尾迹与势流同频/异频干涉的叠加特性

为揭示多级压气机中上下游叶轮对中间叶片叠加气动影响特性,阐述不同叠加干涉情况下下游叶轮进气角度变化,采用数值方法模拟了一级轴流和一级离心组成的组合压气机非定常流场.详细讨论了上游动叶尾迹和下游动叶势流对中间导流叶栅段气流非定常流动的异频和同频叠加干涉特性,依据计算结果,直观地展示了静叶通道中两种干涉间相互激励和抑制作用的位置和时间,与数学公式的推导结果相互印证.研究结果表明:当上下游动叶对中间静叶段异频干涉时,干涉的激励、抑制区域的轴向位置随时间发生变化;当上下游动叶对中间静叶干涉频率相同时,干涉的相互激励、抑制区域的轴向位置不随时间发生变化,但干涉的激励、抑制区域的轴向位置受时序位置影响.另外,上游动叶尾迹与下游离心叶轮势流的不同叠加情况,决定着下游离心叶轮进口相对气流角的大小及波动幅值.     

大涵道比风扇转子的非定常数值模拟

为了更好地设计大涵道比风扇转子及外涵导叶(OGV),采用非线性谐波法对某大涵道比风扇转子及OGV进行了非定常和定常数值计算,2种计算方法获得的风扇外涵级的流量、增压比、绝热效率有一定差异,并分析了性能变化的原因。通过对其典型截面的非定常流场进行快速傅里叶分解,在频域内分析了风扇转子和OGV之间的转静干扰效应,以及交界面典型脉动量的周向波形,从频域的角度分析了影响性能的原因;同时观察到一些时域中难呈现的现象。结果表明:通过非定常数值计算,大涵道比风扇外涵级绝热效率曲线随时间变化呈现正弦曲线的形状,幅值约为0.59个百分点;风扇外涵级绝热效率最高、最低点分别出现在风扇尾迹通过静子通道的约3/4和1/4处。     

非定常流场分析结果向结构载荷压力场转化问题的解决

在研究前排静子叶片尾流对后排转子叶片振动的影响时．一个很大的难题就是如何将尾流场作用下的转子叶片通道内的非定常流场转化为适于振动响应分析的结构载荷压力场的形式，并引入有限元分析。在本文中，首先将转子叶片通道进口处的尾流参数进行傅立叶分解，然后分别对各阶谐波作用下的转子叶片通道内的非定常流场进行计算，将其叠加，得到整个非定场流场的解。这样，在进行振动谐响应分析时，各阶谐波作用下的载荷压力场实际上就是其对应的各阶非定常压力场。同时，通过一定的简化，把非定常气动分析结果转化为适于ANSYS谐响应分析的加载形式，从而成功地把结构载荷压力场引入了有限元分析。     

动叶尾迹对静子非定常气动性能影响的研究

本文利用南京航空航天大学单级低速轴流压气机试验器,对动叶尾迹对静子非定常气动性能的影响开展了系统的实验研究。通过静叶表面动态压力分布的测量,获得了在不同的动—静叶排轴向间距、不同的工作转速和不同的工作流量下,动叶尾迹对静子非定常气动性能影响的大量基础实验数据     

轴流压气机静子叶片非定常表面压力试验

对一台单级轴流压气机静子叶片非定常表面压力进行了测量.叶片非定常表面压力分析表明:失速前,叶片非定常表面压力的主要影响因素为相邻叶排叶片的尾迹和势扰动,叶片非定常表面压力及气动力波动的幅值大小取决于压气机的总压升,主导频率为叶片通过频率及其倍频(主要为2倍频和3倍频),其频率是转子转动频率的整数倍;失速后,叶片非定常表面压力的主要影响因素转变为旋转失速团,主导频率为失速团频率,其频率小于转子转动频率.      

后置静叶周向弯曲对表面非定常压力脉动的影响

在目前的叶轮机械中,普遍存在着旋转动叶与后置静叶干涉产生的非定常流动现象。这种流动现象会导致静叶表面产生非定常性压力脉动。这种脉动可分为旋转动叶的速度亏损尾迹引起的叶片表面的周期性脉动和气流本身的湍流脉动及其他涡团导致的随机脉动两个方面。采用一工业用单级通风机,对其动静叶的干涉现象进行研究。通过在后置静叶表面沿弦长及叶高方向布置动态压力传感器的方法,研究静叶的周向弯曲（倾斜）角度对静叶表面的非定常力的影响。研究结果表明：采用周向弯曲静叶会改变动叶尾迹所引起的后置静叶周期性脉动的幅值在静叶表面的分布特点,静叶顶部压力脉动的幅值与原始径向静叶相比能够有效地降低,同时与中部的压力幅值相比有一定提高,但整体呈现下降趋势;另一方面,静叶表面随机性的压力脉动强度受周向弯曲的影响较小。     

空调器室外机轴流风机内部流动的PIV研究

采用粒子图像测速仪PIV,对具有半管道式结构特点的空调器室外机轴流风机内部流场进行了实验研究,并结合实验结果分析了叶片顶部的叶尖涡和叶片出口尾缘涡的流动特性。实验结果显示在轴流风机流道内部叶顶区域存在与叶轮旋转方向相反的叶尖涡结构。叶尖涡产生于叶片前缘叶顶近吸力面侧,在流道内部与主流发生干涉后朝向周向和出口传播并逐渐耗散。叶尖涡涡心轨迹与叶顶弦长方向的夹角为10°,在叶高方向上叶尖涡的径向位置并不固定。与普通管道内部流动不同,叶片顶部与导风罩间的间隙中未捕捉到明显的叶顶泄漏涡现象。叶片出口近尾缘处30％以上叶高明显捕捉到尾缘涡结构,叶片压力面和吸力面侧的径向速度存在明显的方向变化,切向速度在尾迹区增加。     

转、静子轴向间距对转子叶片振动应力的影响

采用数值模拟方法,分析了转、静子轴向间距对转子叶片振动应力的影响.利用CFD程序对进口静叶尾迹作用下的压气机转子叶片排非定常流动进行了数值模拟,并采用所编写的程序将气动载荷转化为有限元模型上的动态压力载荷,进行了结构瞬态响应分析.结果表明:在所考查的轴向间距下,随轴向间距的增大,转子叶片振动应力呈减小趋势,这主要是由于造成压力载荷波动的尾迹强度沿流向是减弱的.      

高压涡轮全环非定常流动数值模拟

为了进一步准确地掌握涡轮内部复杂流动特征,采用全环非定常数值模拟方法研究了某型高压涡轮内部非定常流动,重点分析了上游导叶尾迹和激波在动叶流动中的非定常作用机制,探讨了引起动叶通道内及叶片表面压力分布周期性变化的非定常扰动。数值结果表明:与尾迹作用相比,由导叶激波引起的非定常效应更为明显,尾迹引起的非定常扰动在动叶0.5倍轴向弦长位置下游较为突出。在动叶流场中及叶片表面上的静压变化显示,在动叶通道内还存在低频扰动,对局部流场的非定常扰动明显。最后指出,在非定常计算时采用区域缩放法对流场中非定常扰动的预测存在一定误差。     

跨声速压气机转子叶尖非定常流动的数值模拟

为了进一步加深对转子叶尖区域非定常流动现象的认识，针对某一跨声速单转子轴流压气机，采用三维非定常数值方法开展了详细研究。对单转子在不同进气条件以及不同工作流量下分别进行非定常模拟，来研究该转子叶尖区域复杂流动结构以及叶尖非定常流动的发展过程。结果表明:不同进气条件下，转子叶尖区域流场结构形式表现不同.当进口非轴向进气时，叶尖非定常流动呈单通道周期形式；而轴向进气时，叶尖区域出现了类似于“旋转不稳定”的沿周向传播的非定常流动现象，且随着工作流量的减小，叶尖区域流场结构也相应发生改变.      

Unsteady Flow Variability Driven by Rotor-stator Interaction at Rotor Exit

Numerical investigation of the unsteady flow variability driven by rotorstator interaction in a transonic axial compressor is performed. Two models with close and far axial gap between rotor and stator rows are studied in the simulation. Particular attention is attached to the analysis of mechanisms involved in driving rotor wake oscillation, rotor wake skewing and flow angle fluctuation at rotor exit. The results show that smaller axial gap is favorable to enhance the interaction in the region between two adjacent rows, and the fluctuation of the static pressure difference between two sides of rotor wake is improved by potential field from down stator, which is the driving force for rotor wake oscillation. The interaction between rotor and stator is weakened by increasing axial distance, rotor wake shifts to suction side of rotor blade with 5%-10% of rotor pitch, the absolute value of flow angle at rotor exit is less than that in the case of close interspace for every time step, and the fluctuation amplitude is also decreased.