基于流场/声场混合模型的叶轮机械单音噪声研究

基于叶轮机械三维非定常黏性数值模拟(URANS)与管道内叶片排气动噪声声类比理论(DBAA),成功地发展了叶轮机械单音噪声混合预测模型(URANS/DBAA),该模型能够实现叶轮机械叶片详细设计参数与噪声辐射强度的关联。由于采用了Lighthill声类比理论,使得该模型并不需要耗费大量计算资源。基于URANS/DBAA混合模型,对某单级轴流风扇的单音噪声及其噪声源分布特性进行了详细的计算分析,结果表明,该混合模型能够准确模拟叶轮机械单音噪声,实现了对叶轮机械单音噪声基本规律的分析和认识。     

两种紊流模型在通流计算中的应用研究

为验证紊流模型在基于周向平均Navier-Stokes方程的通流计算中的适用性，本文给出了周向平均形式的Spalart-Allmaras紊流模型，并选择Baldwin-Lomax模型作为对比。通过两个经典简单算例以及两个典型叶轮机械算例对采用了上述两种紊流模型的通流模型进行验证与对比。两个经典简单算例结果表明，上述两种紊流模型在无叶片的通流模型中均能够准确预测附面层发展，捕获激波，预测分离流动。两个典型叶轮机械算例结果表明两种紊流模型对轴流式叶轮机械的子午流面气动布局以及总体气动性能具备一定的的预测能力。在单转子算例中，S-A模型的计算结果略优于B-L模型的计算结果；在双级高压涡轮算例中两种紊流模型对总体性能参数以及气流角的计算结果相差不大，且S-A模型计算的马赫数比B-L模型的偏小。     

叶轮机械流固耦合有关模型综述

综述了近年来在叶片颤振和噪声方面的理论和试验研究工作，在理论上发展丰富了叶轮机械气动弹性稳定性理论模型和气动声学模型。介绍了研究中发现的几种对叶片颤振有影响的非定常因素和将气动声学模型用于故障诊断与监测及消声的研究工作。     

旋转流场测量技术的探讨和实践

本文专门介绍一种测量旋转流场的新技术，作者研制了一台旋转机械编码仪，结合庆用在二维激光流速计系统，对几种水泵叶轮的内流场进行测量，获得了成功，得到了平均速度、湍流度、相关系数及雷诺应力等各力学量与相位角度之间的对应分布结果。     

两种多重网格法求解径流叶轮机械可压流动

为了加快数值求解叶轮机械内部流场的收敛速度,并改善计算结果,在数值求解径流叶轮机械可压流动的计算中,采用了由微元、二重和三重网格逐级转入和同时转入的两种多重网格法。对德国宇航局Ｋｒａｉｎ Ｈ设计的离心压气机内部流场的数值计算表明,两种多重网格法的计算结果差别不大,尽管在收敛速度方面存在差异,但均与测量数据吻合比较好。     

针对叶轮机流场分析的不同Spalart-Allmaras湍流模型评价

Spalart-Allmaras（SA）湍流模型在Reynolds-Average Navier-Stokes（RANS）方程求解中得到了广泛的应用。针对叶轮机数值模拟，国内外学者提出了很多修正的SA模型，但它们之间的对比少有研究。为此，综述了原始的SA（SA-standard），SA-neg，SA-Helicity，SA-Ning及SA-R五种不同SA湍流模型。针对NASA Rotor 67和NASA Rotor 37，考察这五种湍流模型对数值计算稳定性的影响及对叶轮机内部流动细节捕捉的能力。研究表明：SA-standard和SA-neg湍流模型计算结果几乎相同；相比于SA-standard湍流模型，SA-Ning湍流模型计算的压比、效率和堵塞流量均较大；SA-R湍流模型模拟的激波/边界层干涉更严重，分离区域更大，计算的压比小，模型修正效果不理想；SA-Helicity湍流模型不仅能极大地提高计算的压比和流量范围，而且能提高计算的稳定性和失速工况下的计算准确性，但计算的堵塞流量和效率较小。     

离心叶轮出口三维流场研究

文发展了一种通过求解不可压缩、定常、时均 N- S方程、连续性方程和 k- ε湍流模型方程分析离心叶轮出口三维流场的方法。该方法的差分计算网格通过代数变换关系生成 ,可方便地应用于离心叶轮设计分析。为检验本文分析方法的有效性 ,对一个三元闭式离心压缩机叶轮出口流场进行了实验测量。计算与实验比较表明 ,本文方法预示出的平均流场与实验数据符合良好     

旋转反压与离心式压气机叶片相互作用数值模拟研究

由于旋转爆轰燃烧室具有自增压、热效率高的特点，将航空涡轮发动机的燃烧室替换为旋转爆轰燃烧室可进一步提高发动机性能。本文基于非稳态雷诺时均Navier-Stokes方法，采用k-ε湍流模型，针对旋转反压与离心式压气机叶片的相互作用开展三维数值模拟，研究旋转反压形成的前传压力波与扩压器及叶轮叶片的相互作用，分析旋转反压传播方向对前传压力波运动过程的影响。结果表明：旋转反压会在压气机内形成前传压力波，其与扩压器和叶轮的叶片相互作用，形成复杂的波系结构。当旋转反压传播方向与叶轮旋转方向相反时，前传压力波的压力峰值在扩压器内先下降后上升，在进入叶轮通道后迅速下降，无法到达叶轮入口。当旋转反压传播方向与叶轮旋转方向一致时，压力波波形发生明显变化，其与扩压器叶片相互碰撞导致强度明显下降，向上游传播距离更短。     

压气机叶栅非定常线性自回归气动降阶模型研究

为满足叶轮机械领域高效非定常气动计算的迫切需求,采用线性带外输入的自回归(ARX)理论建立了高亚声速压气机叶栅非定常气动性能降阶模型.该降阶模型构造简单,建立较为容易.通过逐渐增加输入/输出延迟阶数,可以获得较高精度的模型超参数.研究结果表明:降阶模型对线性非定常系统的气动参数响应具有较好的预测精度,但在部分无量纲总压...     

西北工业大学叶轮机械课题组简介

西北工业大学叶轮机械课题组隶属于西北工业大学动力与能源学院航空动力系，致力于航空与民用叶轮机械气动热力学的研究及相关专业的人才培养。[第一段]     

叶轮机械流场计算中流线曲率不同的处理方法及其分析

本文介绍了在叶轮机械流场计算中,用不同的方法计算流线曲率(或径向速度变化)的方法。为了便于比较,对具有较大曲率的单级压气机的进口流场的变化趋势先做了理论上的分析,接着用五种不同的方法计算了该进口流场,并与试验得出的进口流场做了比较。     

考虑叶轮流动滑移的离心泵盘腔流动模型

为研究离心泵盘腔内外特性，将离心泵盘腔三维流动简化为动静腔一维流动，基于动量守恒方程和径向连续方程，构建了动静腔流动微分方程；积分该方程并应用到盘腔中，引入密封件阻力系数，考虑叶轮流动滑移，修正泵势扬程公式，建立了离心泵叶轮-盘腔-密封环-平衡孔回路的自封闭流动模型。提出了内外迭代相结合的求解方法，实现了离心泵盘腔流动快速计算。通过与盘腔压力测量结果对比表明：使用Stodola叶轮流动滑移系数的盘腔流动模型比使用Wiesner叶轮流动滑移系数的盘腔流动模型的计算精度提高了约3.5%。盘腔流动模型结果表明：泵工况从小流量调节至大流量，容积效率逐渐提高，盖板推力略微逐渐增大。该方法及结论为离心泵盘腔内外特性计算提供参考。     

湍流模型对压气机数值模拟精度的影响

开发了一个求解叶轮机全三维黏性流场的程序,采用了目前叶轮机数值模拟中常用的且模拟性能较好的三种湍流模型:k-ε模型,k-ω模型,Spalart-Allmaras(S-A)模型,计算了跨声压气机NASA(National Aeronautics and Space Administration) Rotor 37的流场,并与实验进行了性能参数、三维流场和角区流动的对比分析.考察在相同的数值计算平台上进行比较这几个湍流模型对压气机的数值模拟性能的影响.最终结果表明:对于具有强剪切、存在分离流的复杂的叶轮机三维流场来说,k-ω模型数值模拟精度更高,相比其他两个模型具有一定的优势.      

Qiu滑移模型在小型离心叶轮通流设计中的适应性改进

对Qiu滑移模型进行若干原理改进,通过在迭代中调用,将其耦合嵌入至本研究组的通流设计反问题程序,然后应用于某小型离心叶轮的设计.用定常黏性计算流体力学验证了改进的Qiu模型辅助设计的离心叶轮的气动性能.研究了Qiu模型用于通流反问题体系后预测小型离心叶轮滑移因子的能力.研究表明Qiu模型在通流设计中的适应性改进是必须的,可全面提高离心叶轮气动设计质量.虽然改进模型对滑移因子分量的估计存在偏差,但通过给定合适的经验系数完全可以使其给出的滑移因子达到工程实用的精度.另外在Qiu模型中被忽略的滑移因子分量对于离心叶轮仅在叶片后弯角绝对值较小时相对其他分量较小.     

几种特种测试技术在流体机械内流场测试中的应用

介绍了现代流动测试技术的特点、发展趋势及本课题组在流体动力设备研发方面的应用研究工作。主要工作有：热线风速仪技术(HWA)用于离心压缩机扩压器流场测试研究、用于湍流边界层的减阻控制研究；粒子图像速度场仪技术(PIV)用于叶轮机械动静相干非定常流场的研究、用于管道内横向射流的研究；激光多普勒测速仪技术(LDV)用于风机叶轮流场的测试研究等。     

离心压缩机两区域模型改进与验证

离心压缩机一维预设计中，准确的性能预测可以有效地缩短设计周期，提高设计效率。为了提高性能预测的准确性，在传统两区域模型的基础上，引入外界能量输入与叶轮旋转效应，提出一种叶轮扩压度计算模型，并结合无叶扩压器的特点，将两区域模型应用于无叶扩压器性能预测中。通过与文献中已有的实验结果进行对比，验证了改进模型的可用性。对比结果表明:改进的两区域模型有效减少对工程经验的依赖性，可以实现不同压比、不同后弯角离心压缩机性能预测，总体预测精度较高，与实验数据偏差在4%以内。      

新的多重网格法求解离心压气机内部流场

受英国剑桥大学 Denton教授对叶轮机械数值计算的启发, 本文提出了一种新的多重网格法, 并将之与显式时间推进法、有限体积差分格式、粘性体积力法配合使用来求解离心压气机内部流场。数值计算表明, 作者多重网格法的计算结果与试验结果吻合很好, 同时该多重网格法的收敛速度比不用多重网格法加快了将近两倍, 也比 Denton多重网格法的收敛速度加快了将近 1倍。      

离心压气机近失速工况叶尖流场特征及泄漏涡面涡模型

为研究航空微型涡轮发动机离心压气机的失速机理,采用数值模拟的方法,对压气机在设计点和近失速点的流场特征进行了研究,并对叶尖泄漏涡进行了建模。结果表明:在近失速工况下,更多的来自轮毂处的低能流和二次流会汇入叶轮通道近壁面的低速区,使得叶尖的堵塞加重,泄漏涡轨迹的偏转及其卷吸作用可能是造成这种现象的原因。通过在压气机机匣外侧引入虚拟镜像涡的方法,应用机翼涡对的不稳定性理论和面涡模型对泄漏涡建立了模型。应用该模型对本文研究的离心压气机以及三个国内外具有典型代表性的压气机进行了预测,表明模型得到的频率同计算和实验结果具有较好的吻合性,对德国宇航院压气机的预测频率与其实际频率的误差仅为2.8%。总体而言,当间隙高度较大时,模型的预测更为准确。     

波子结构法在失谐带分流叶片离心叶轮动态特性分析中的应用

为解决高保真失谐叶轮模型计算量大的问题,在Craig-Bampton部件模态综合法的基础上,结合波子结构法对界面自由度进一步减缩,发展了适用于带分流叶片离心叶轮的模型减缩方法,并给出其复数形式下的数学表达.采用该方法建立了工程实际叶轮高保真有限元模型的减缩模型,自由度数减缩率达99.8％.分别采用减缩模型和完整模型,通...     

动态跨音速流动控制中自适应翼型的设计理念

通过对仿真几何模型的数值模拟，有针对性的消除了跨音速区的再压激波．改进了应用在非定常跨音速流动中的翼型，并介绍了一套设计直升机旋翼叶片可变形翼型的基本步骤，而且结合系统优化方法，还设计出了一种无激波翼型。同时还考虑了两种关于变形的分析模型，并应用二维、时间精确、隐式Navier-Stokes程序检验了这两种模型控制动态失速的能力。结果显示，对于直升机，受控变形翼型的发展潜力很大。应用这一翼型，能够大幅度的抑制大攻角时翼型的动态失速与小攻角、高马赫数时再压激波的强度，其结果将会帮助拓展直升机旋翼翼型的设计理念，使其能够进一步控制翼型的动态失速。