用于多级压气机非定常流动的谐波平衡方法研究

为了在保证计算精度的同时,进一步提高压气机流动非定常模拟的计算效率,在课题组自行开发的结构化有限体积解算器上实现了谐波平衡法。以1-1/2级轴流压气机为研究对象,采用谐波平衡法和相滞后法对其非定常流场进行了数值模拟,并采用谐波平衡法对该压气机的时序效应进行了初步研究。计算表明,随着谐波阶数的增加,谐波平衡法的计算结果逐渐接近于相滞后法的计算结果;在谐波阶数达到5阶以后,谐波平衡法的计算结果不再随谐波阶数的增加而变化,且与相滞后法的计算结果匹配;谐波平衡法在保证与相滞后法相同的计算精度的情况下,计算效率相比相滞后法高了近3倍;5阶谐波平衡法即可很好地模拟入口导叶-静叶时序效应。算例表明,谐波平衡法相比相滞后法具有更多的选择空间和更高的计算效率。     

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.      

谐波平衡法在非定常流场中的应用

谐波平衡法（HBM）适用于模拟周期性非定常流场。求解这类问题时,只需要一个周期中几个等距时刻的流场解,即可重建整个周期流动的时间历程,计算效率较高;同时还采用谱算子精确求解流场变量对物理时间的导数项,保障了算法的计算精度。鉴于此,详细介绍了谐波平衡法的原理和实现过程,并给出了如何在现有计算程序下实现谐波平衡法的流程。取跨声速翼型和超声速钝锥两个周期性强迫俯仰振荡绕流为例,以双时间步方法为参考,对谐波平衡法的效率和精度作了详细的考核和分析。计算结果表明,谐波平衡法的内存消耗较大,谐波数N_H=2时约为双时间步方法的4倍,但谐波平衡法取得与双时间步方法相近结果的计算时间仅为后者的1/5。因此,谐波平衡法是一种有应用前景的工程实用方法。对于长周期问题,谐波平衡法的优势更加明显。     

基于非线性谐波法评估压气机转静干涉诱发的强迫响应

针对压气机转静干涉诱发的强迫响应问题,对某型风扇试验件进口可变弯度导向叶片进行流固耦合数值模拟。基于NUMECA的非线性谐波法,求解在后排转子势流作用下可调导叶的非定常流场,从而获得谐波压力,并对其作用在前排可调导叶相应模态下的强迫响应进行了计算,与试验验证结果吻合。结果表明:基于非线性谐波法的流场计算以及强迫响应分析,为工程应用建立了转静干涉诱发强迫振动响应的数值评估方法。     

基于时间谱方法的振荡翼型和机翼非定常黏性绕流数值模拟

 传统的双时间方法在非定常计算中长时间的过渡迭代推进求解导致其计算效率相对较低,针对周期性非定常流动问题的流动特征,发展了一种基于离散傅里叶变换的高效时间谱方法,用于求解振荡翼型和机翼的非定常黏性绕流。在时空耦合的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程的求解中,对流项的离散应用了Roe的通量差分格式,物理时间项的离散方法为时间谱方法,伪时间推进采用了隐式LU-SGS(Lower-Upper Symmetric Gauss-Seidel)格式。考虑到湍流的时空耦合效应,时空耦合的Spalart-Allmaras一方程湍流模型的物理时间项同样采用时间谱方法进行离散。为了进一步提高计算效率,当地时间步长和多重网格技术等加速收敛的措施均被采用。算例对俯仰振荡NACA0012翼型和Lann机翼的周期性非定常流场进行了数值计算。结果表明:对于周期性非定常流场的数值模拟,相比于传统的双时间方法,用时间谱方法近似物理时间项,不仅能够提高流场的计算精度,而且更能够大幅度提高计算效率。     

高负荷对转压气机中尾迹传播机制研究

为了研究尾迹在高负荷对转压气机中的转播机制,采用频域的非线性谐波方法对两级高负荷对转压气机进行了非定常流计算。结果表明:在设计点,通过与定常流计算的结果对比,发现第二级转子在0%~25%的近叶根区域和67%~100%近叶尖区域,非定常得到的效率较小,而在25%~67%的叶中部分非定常的效率更大。研究了尾迹在这三个不同区域的传播规律。结果表明:在叶中,尾迹恢复效应在流动中起到了效率增益的作用;在叶尖,它会与机匣的附面层以及叶尖泄漏流作用,使得端壁附面层增厚和引起泄漏流熵增;在叶根,由端壁附面层产生的马蹄涡和分离涡会影响尾迹的传播,卷吸尾迹并导致尾迹破碎,引起掺混损失。     

跨音叶栅非定流场数值模拟

本文将二维平面振荡叶栅的非定常流场分解为定常平均流场和以简谐振荡为运动规律的非定常小扰动的叠加 ,分别求解定常的 N- S方程和非定常线化 N- S方程 ,能对不同分离形式进行数值模拟 ,有效地处理分离流动。计算结果表明 ,非定常分离、粘性效应和跨音激波对叶栅气动弹性稳定性有极其重要的影响 ,并且说明分离区内的脉动压力对叶栅振荡的响应只比分离区外低一个数量级 ,因而在处理非定常分离流动时不能简单地将分离区内的压力脉动视为零。     

压气机叶栅叶顶间隙流的动力学模态分解

为了研究低速孤立压气机叶栅叶顶间隙流的非定常运动型态,采用大涡模拟(LES)技术对流场进行数值模拟,并运用动力学模态分解(DMD)技术对x/c=1.0677弦长处S3截面叶顶二次流速度场进行模态分析。结果表明:动力学模态分解(DMD)能够得到速度场的定常模态和不同频率下的主要振荡特征。同时揭示了频率为f1=824.9Hz的一阶振荡主要表现为泄漏涡的低频周期性生成与退化;而频率为f2=9807.2Hz的二阶振荡是由叶顶移动端壁形成剪切层内的不稳定造成的,主要表现为泄漏涡的振荡与分裂。     

非失速二维振荡叶栅非定常流动数值模拟研究

进一步完善了非定常雷诺平均N-S方程求解程序,借助快速网格生成方法,对周期性俯仰运动下NACA0012叶栅的非失速绕流问题进行了数值模拟研究,并分析了振荡叶栅的迟滞效应以及俯仰运动各个参数对迟滞效应的影响.数值模拟结果与实验结果对比表明,本文发展的数值模拟方法是可靠的;结果还表明,随着振幅,折合频率的增加迟滞效应增强,平均攻角对迟滞效应无影响;保持无量纲参数--振幅和折合频率的乘积--恒定时,迟滞效应相同.     

风扇/压气机叶型厚度对颤振特性的影响

采用计算流体力学与结构动力学相结合的方法,数值模拟了三维振荡叶栅非定常黏性流场;通过对叶片表面非定常气动力及其所做非定常气动功的计算分析,采用能量法对叶片颤振与否进行预估判断。针对三维直叶片和风扇转子叶片,通过调整叶片的相对厚度,研究了叶片厚度变化对风扇/压气机颤振特性的影响。此外,通过对振荡叶栅非定常流场结构的研究,发现了叶片吸力面气流分离与叶片振动之间的耦合关系。本文的研究在风扇/压气机设计中,可用于评估最大相对厚度等叶型结构设计参数对气弹稳定性的影响,对叶轮机颤振机理研究具有一定的参考意义。     

针对轴流压气机的非轴对称端壁造型优化设计

针对某轴流压气机构建了一种新的非轴对称端壁造型,该造型可通过抑制角区分离来达到减小通道内二次流损失的目的。首先,在设计工况下,针对基准叶栅建立非轴对称端壁的自动优化设计方法。然后,在设计和非设计工况下,用NUMECA/Fine turbo模块分别对基准叶栅和优化叶栅进行定常流场计算。结果表明,两种工况下,优化叶栅有效抑制了角区分离,原因为非轴对称端壁造型改变了通道内的涡系结构;优化叶栅出口截面总压损失系数显著降低,叶栅出口气流角更加均匀和平衡。     

扩压式叶栅非定常分离流机理研究的频谱分析

二维亚音压气机叶栅非定常分离流中旋涡脱落频率的定性研究,采用数值模拟的方法,通过九种不同工况下流场中多点总压值的快速傅立叶分析,初步提出了区分数值振荡和真实物理振荡的判据,同时得到了这九种工况下非定常分离流中旋涡脱落频率的数值模拟结果。证实在非设计工况下,二维亚音压气机叶栅叶背区出现了较大尺度的开式非定常分离,分离区自身及分离流影响的尾迹区的主要运动形式可能是周期性的旋涡脱落。      

涡轮非定常流数值计算方法研究

在实际叶片排几何模型不变的条件下,采用交接面周期性处理方法可大大缩小非定常流计算域,减小计算量,但该处理方法会给非定常流计算带来一些近似,通过某跨声速涡轮级三维粘流数值计算,分析和评估计算方法,结论是该方法不改变时间平均下的稳态性能参数,而且可用于多级涡轮非定常流计算.      

非定常环境中叶栅总压恢复系数的数值研究

利用以Ni格式和隐式双时间步法求解二维非定常N-S方程为基础的数值模拟方法研究了流动的非定常性对涡轮叶栅总压恢复系数的影响,并与文中提出的定常模型和准定常模型进行了对比。结果发现,非定常流动能够提高叶栅的总压恢复系数,但这是建立在与准定常流相比较的层面上,而和定常流比较时,非定常流只会使总压恢复系数下降。      

跨声速压气机转子叶尖流场旋转不稳定现象的数值研究

对某跨声速压气机转子在不同工作流量下的叶尖非定常流场进行了数值研究.结果显示:大流量状态下,该转子叶尖流场几乎不发生振荡.此时,叶尖流场可以按定常流场进行分析;小流量状态下,叶尖泄漏涡大幅振荡,相邻叶片通道内的叶尖泄漏流之间也存在周期性相互干涉.其结果是在稳定状态时出现由于叶尖泄漏涡的振荡及其周向传播造成的"旋转不稳定"现象."旋转不稳定"流场结构主模态旋涡个数大约为40%的叶片通道个数;其周向尺度占据2~3个栅距.     

叶轮机周期性非定常流高效降阶数值计算方法研究进展

简要介绍了叶轮机内非定常流对叶轮机性能的重要影响,总结了叶轮机内动静相干和叶片振动诱发的非定常流的时空周期性特点,并指出这些时空周期性特点可以加以利用, 发展分析这些非定常流的高效降阶数值计算方法。本文根据不同数值降阶方法的特点对其进行了归类,详细分析了各自的优缺点及在气动弹性力学领域的应用,并进一步展望了降阶数值方法在未来的几个关键技术及发展趋势。     

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。     

时间谱方法中的高效GMRES算法

研究了时间谱方法求解周期性非定常流场的计算效率,并对时间谱方法应用于周期性非定常流动的隐式求解方法进行探讨。当采样点数增加或减缩频率增大时,时间谱方法对应的雅可比矩阵对角占优性质迅速恶化,导致很多传统的迭代方法失效。为了解决上述问题,论文采用带预处理的广义极小残差(GMRES)算法来提高雅可比系数矩阵的计算收敛性。使用时间谱方法对NACA0012翼型强迫振荡算例进行计算,并与时域差分方法的计算效率和精度进行对比。研究表明在保证计算精度的同时,时间谱方法普遍可将计算效率提高一个量级左右。对于跨声速周期性流动,广义极小残差算法不论是稳定性还是收敛性都优于对称SGS迭代算法。     

跨声风扇周向畸变流动的谐波平衡法计算

研究了采用"相位延迟"边界条件的谐波平衡法用于周向进气畸变计算的可行性及其计算效率,考虑了进气总压畸变形式为正弦波和方波的两种情况。对于正弦波形式的进气总压畸变采用较少阶数的谐波计算就可得到和双时间推进法相近的计算结果,计算速度最大可以提高48倍。对于方波形式的进气畸变,则需要采用更多阶数的谐波计算才能还原得到较准确的非定常流场,计算速度提高了7倍。算例表明,谐波平衡法可以有效的应用于跨声风扇周向进气畸变的非定常计算中,同时大幅提高计算速度。     

模拟二维周期性非定常流动的谐波分析方法

介绍了一种从频域出发模拟二维周期性非定常翼型绕流的数值方法.考虑到很多工程中遇到的非定常流动问题都是周期性的,因此非定常流场中的守恒变量可以展开为傅立叶级数,其系数随空间位置的不同而改变.将这样的谐波假设引入欧拉方程,经过处理的方程不显式地含有时间导数项,实际求解的方程将具有定常方程的形式.在使用多重网格技术后,计算可以很快达到收敛.对NACA64A010翼型典型的周期性非定常绕流进行的数值模拟表明,这种方法在能够给出较为准确的计算结果的同时,与传统的双时间方法相比,可以大幅提高计算效率.