离心叶轮出口与无叶扩压器内部流动特性的DPIV实验研究

在叶轮转速n＝1500rpm对应的设计工况下,利用两维数字式粒子图像速度场仪(DPIV)对风机模型从叶轮出口至无叶扩压器区域内部流动状态进行整场测量,在"锁相"状态下获得沿扩压器宽度方向上三个径向面的瞬态速度场、涡量场的分布,并进一步对时均流场的流动特性进行全面讨论.测量结果表明:设计工况下,叶轮出口流动呈现典型的"射流-尾迹"流动结构,其对无叶扩压器内部流动状态具有深刻的影响.旋涡由叶轮叶片表面边界层的粘性切应力产生,并随流动被输运至下游无叶扩压器,然后随着流动的均匀化而逐渐消失.涡量的分布及变化反映了无叶扩压器内部流体相互掺混和能量传递、重新分布从而达到均匀化的过程.随着半径的增加,尽管无叶扩压器内流动在圆周方向亦逐渐趋于均匀化,但沿宽度方向的差距未得到改善,这将导致沿轴向α不变原则设计的叶片扩压器的二元叶片无法避免冲击损失.     

叶型上局部凸起对扩压器性能影响的数值研究

借助CFD数值模拟技术,对四种常规叶片扩压器（不同凸起位置）内部流场进行了数值模拟,研究了不同凸起位置对扩压器性能的影响,讨论了改变叶片凸起位置对扩压器静压恢复系数、总压损失系数等性能参数的影响,以为小型/微型发动机的叶片扩压器的优化设计提供一定的参考价值。结果表明,当叶片扩压器产生局部凸起时,在流动进入叶片扩压器凸起截面后面产生了低速流动,导致了明显的总压损失,使得叶片扩压器的效率降低。叶片中间产生凸起对于叶片扩压器的总压损失最高。在工程实际中叶片扩压器如果产生局部凸起,尽量选择在叶片前端。     

改进型微型扩压器设计方法

在某直径6cm级的微型涡轮发动机MJ-S1研制中微型扩压器方案得到了改进,改进型微型扩压器由完整的主叶片和通道后部的分流叶片构成,可以避免气流的强烈掺混,降低转弯段内气流速度,减小流动损失.介绍了这种扩压器的设计方法,采用数值模拟的方法研究了设计参数通道面积和叶片角分布对扩压器性能的影响.MJ-S1最佳的改进型扩压器具有上凸的通道面积分布和接近线性的叶片角分布,该扩压器在压气机级中工作时总压恢复系数接近0.9.      

斜流扩压器任意中弧线造型3维弯扭叶片设计

为了改善扩压器与叶轮之间的气动匹配,针对斜流/离心叶轮出口复杂的3维流动,以及扩压器叶片不同展向位置气动 负荷分布特征,提出基于任意中弧线造型的扩压器3维弯扭叶片设计方法。该方法在根据叶轮出口流场优化扩压器叶片攻角的 同时,通过对造型截面中弧线任意调整实现扩压器叶片载荷分布和局部流场细节的优化。以某高压比斜流压气机为平台,采用上 述方法完成了对其斜流扩压器的改进设计。3维数值模拟结果表明：与原方案相比,扩压器改进后斜流压气机设计点至近喘点范 围内效率提升约0.3个百分点,设计点流量基本不变,设计转速喘振裕度增大1.0个百分点,在设计点及近喘点状态下扩压器通道 流场均得到了改善,同时改进后扩压器的叶片数由21片减少至19片。     

离心压气机级串列叶栅扩压器内流场的数值研究

对某一带串列叶栅扩压器的离心压气机级进行了数值模拟,分析了串列叶栅扩压器后排叶片不同周向位置对压气机级流动及性能的影响.结果表明:串列叶栅扩压器性能优于单列叶栅扩压器,其后排叶片在不同周向位置处效率和压比均优于单列叶栅扩压器,效率提高幅度能达到1.9%,压比的提高幅度为2.85%.串列扩压器分流叶片的周向位置对其内部流动情况有显著影响,两排叶片之间存在一个最佳位置使扩压器损失最小.串列叶栅扩压器的主要损失集中在50%叶高以上的区域.      

扩压器对基本级性能的影响

使用数值方法和试验手段研究了带无叶扩压器和不同进口安装角的叶片扩压器对基本级的性能影响.针对带无叶扩压器的基本级，重点研究了近喘振点、设计点、近阻塞点3种工况的内部流动特性，结果表明近喘振点的叶轮叶片进口、叶轮叶片出口、回流叶片背面均存在低速涡流区，而设计点和近阻塞点的流动状态良好，对于近阻塞点，流动速度较大引起的摩擦阻力损失增大，导致了基本级多变效率下降很快；对带单圆弧叶片扩压器的基本级，细致地研究了匹配不同进口安装角的单圆弧叶片扩压器对喘振裕度、阻塞裕度和效率的影响，结果表明:在出口安装角不变的情况下，扩压器进口安装角比设计值降低3°，基本级的多变效率和多变能头系数达到最佳值.      

基于自由变形技术的分流叶片形状优化设计

基于自由变形技术(FFD)和计算流体力学(CFD)建立了离心压缩机叶片形状优化设计的方法,从而避免了对复杂的实体造型本身进行参数化,提高了优化效率。首先基于自由变形技术建立分流叶片外形的参数化表示,根据优化拉丁超立方试验设计方法构建控制点变化的样本空间,接着通过CFD数值仿真获得各样本的性能参数并建立响应面分析法(RSM)模型,以压缩比与等熵效率最大化目标构建多目标优化模型,进一步采用最小偏差法转化为单目标优化模型并进行求解,最后分析比较了形状优化对压缩机性能和流道内流体流动的影响。结果表明形状优化后压缩机的压缩比提升0.46%,等熵效率提升0.84%,同时减少了流道内低速区域,降低了流动损失。      

离心压气机管式扩压器设计与计算分析

采用程序化建模方法,对离心压气机管式扩压器的三维几何造型进行参数化设计,并采用定常数值模拟的方法分析管式扩压器内流场特性,攻角特性,对影响管式扩压器性能的几何参数进行分析与优化,同时对照某原型叶片式扩压器,分析传统圆形进口管式扩压器的性能优劣,提出类椭圆进口管式扩压器的概念,并揭示其能够有效提高离心压气机性能的机理.      

离心式压气机模型级内非定常流动的数值试验

应用同位网格下的压力校正算法和滑移网格技术 ,在贴体曲线坐标系下 ,对离心式压气机模型级内部由于叶轮与叶片扩压器相互作用引起的三维非定常湍流流场进行了数值模拟。计算结果表明 ,在设计工况下 ,由于叶轮与叶片扩压器的相互作用引起的非定常干涉流动 ,对整级内部流动有非定常影响。速度场的非定常特性主要表现在叶轮与叶片扩压器间的径向间隙范围内和扩压器的入口处 ,在叶轮和扩压器叶道内部衰减很快。而压力脉动同时向流道的上下游传播 ,在叶轮和扩压器内部流动仍具有显著的压力非定常脉动。计算结果还模拟了扩压器入口处运动涡系与扩压器叶片的相互作用及其周期性衍灭过程     

高负荷离心压气机扩压器叶片前缘开槽流动机理研究

扩压器前缘几何结构直接决定着扩压器的性能和内部流场特性,为进一步拓宽离心压气机的稳定工作范围,以高负荷离心压气机为研究对象,利用经过校核的数值模拟方法开展扩压器叶片前缘开槽流动机理研究,详细讨论了扩压器开槽对压气机性能及内部流动影响的机理。研究结果表明,扩压器叶片前缘开槽能够在保证离心压气机性能基本不变的前提下,使其失速裕度提高13.5%,与原型扩压器相比,扩压器叶片前缘开槽所诱导的间隙泄漏流能有效抑制扩压器通道内的流动分离,从而提高了离心压气机的稳定裕度。     

扩压器叶片形线逆命题设计的一种新方法

应用遗传算法结合神经网络技术通过对候选叶片表面速度分布与目标速度分布之间误差的极小化,求解给定表面速度分布下的扩压器叶片形线。叶片形线利用Bezier曲线参数化表示,候选叶片形线的流场分析由BP神经网完成。      

超声速风扇叶型设计研究

为了设计低流动损失超声风扇叶型,研制出基于数值最优化超声叶型设计软件.以叶型主要几何参数为叶型设计参数,针对轴向进气第一级风扇转子采用给定轮缘功、损失最小为目标函数.设计的优化叶型后面大部分呈平直因此气流转角小、减速增压完全通过激波实现.沿弦向叶片厚度逐渐增加使叶栅通道呈收缩,总体上使流过叶栅超声气流得到减速增压.优化叶型所构成叶栅流场具有多道激波、流动损失低.设计结果表明设计方法的可行性,并可为超声风扇叶型设计提供新思路.      

基于并行遗传算法压气机叶片自动优化设计

结合小生境法与算子自适应法对基本遗传算法进行改进,采用WinSock接口、多线程、CS体系结构,实现并行遗传算法.将并行遗传算法与NS方程流场计算方法、Hicks-Henne函数叶型参数化方法结合构成叶型自动优化设计软件,软件可用于叶型设计和对已有叶型的改进.在构造目标函数时,根据工作攻角范围,构造了考虑非设计点性能的目标函数.分别对进口马赫数为0.5和0.9左右的叶栅采用三台计算机进行并行气动优化设计,优化叶型设计点和非设点性能都明显好于原始叶型.     

高亚声速压气机叶片优化设计

为实现压气机叶片的优化设计,采用Hicks Henne函数进行叶型参数化,N S方程流场计算与混合遗传算法结合构成设计软件。以给定叶片表面压力分布为目标,以损失小而扩压度大和给定压比损失最小作为目标,所得优化叶片吸力面等熵马赫数分布合理、符合控制扩散规律,具有较好的压比和损失指标。采用几何方法与椭圆型方程方法结合生成壁面正交H型网格,可提高计算精度和便于采用代数紊流模型的流场计算。     

混合遗传算法及其在叶片自动优化设计中的应用

 在遗传算法中 ,采用单纯形法寻优取代变异运算构成混合遗传算法 ,以提高遗传算法局部搜索能力。算例表明混合遗传算法可有效提高搜索效率和对最优解的逼近程度。采用三次多项式和多圆弧方法生成叶型中弧线 ,三次多项式分布叶型厚度 ,对叶型进行参数化。将N S方程正问题流场数值计算与混合遗传算法相结合 ,构成叶轮机械叶型自动优化设计。尝试由气流转角、总压损失和叶型型面面积构成目标函数 ,对压气机叶型进行自动优化设计。     

基于人群搜索算法的Dykas汽轮机叶栅型线重构

针对汽轮机叶片智能优化设计中的叶片参数化建模与型线重构问题,首先基于三次Bezier曲线推导了叶片型线的坐标方程,根据叶片基本几何参数实现了汽轮机叶片型线的参数化表达。在构建的参数化模型的基础上,根据已知的叶型坐标点数据,采用人群搜索算法(SOA)重构实际汽轮机叶片型线,并通过叶型重构算例对SOA和粒子群算法(PSO)进行了对比分析。结果表明：基于Bezier曲线构建的参数化型线光滑性好质量高,所提方法可以任意修改叶型几何参数并再生模型,实用性较强且效率较高。基于SOA优化算法的叶片型线重构方法可以准确重构Dykas汽轮机叶片型线,且SOA重构叶型的方法收敛速度快、收敛结果更稳定,为汽轮机叶片优化设计奠定基础。     

多级轴流压气机出口级转子扩张通道优化设计

为提高多级轴流压气机后面级气动性能,针对某多级轴流压气机出口级转子搭建了基于遗传算法和神经网络代理模型的扩张通道压气机优化设计平台,并对其进行扩张通道优化设计研究。根据优化得到的数据库分析了各设计参数对效率和裕度的影响规律。在优化所得解集中选择了两个扩张通道设计方案,探究了其对效率和裕度的影响规律和机制。结果表明:扩张通道设计可使出口级转子在设计流量点的负荷提高12.1%、效率提高1.28%,同时获得12.50%的裕度改善量。基于当地熵产率损失模型可得,扩张通道转子相较于原型转子,其上下端壁损失增加,叶型损失减小。扩张通道转子近失速点堵塞系数变小是其裕度提升的主要原因。      

超临界机组末级叶片典型截面的叶型设计

针对超临界机组末级长叶片的设计特点,采用遗传算法和人工神经网络,提出对长叶片典型截面叶型进行分区优化设计思想,并对原型与改型进行了多工况点的数值计算,结果表明,将叶型吸力侧后半段由直线型改为内凹型,能够显著降低超声速叶型在超声速工况范围内的叶型损失。对叶型前缘以及压力侧的局部优化设计能够改善超声速叶型在临界马赫数工况下的气动性能。优化设计最大程度地减小了样本空间,提高了优化效率。     

基于粘性伴随方法的涡轮叶片二次流损失优化设计

在航空涡轮叶片设计中,减少流动损失对改善涡轮叶片性能具有十分重要的意义。本文介绍了一种连续伴随方法在涡轮叶片优化设计中的应用,通过对某低展弦比涡轮叶片的根壁外形进行优化来减少二次流损失。首先通过改变叶高方向的安装角分布使得气流出口偏转角逼近目标分布,以此验证粘性伴随方法的精确性和有效性。其次,在优化二次流损失时,设计目标选取为叶片通道出口的熵增,同时满足出口流动偏转角约束。最后,分析讨论了叶片根壁外形变化对减小二次流损失及二次动能的影响。结果表明：该优化设计能有效地减小二次动能,从而提高叶片的效率。