环形弯扭静叶栅流场的计算与实验研究

本文应用S2流面正问题计算方法和三维Euler方程的时间推进计算方法对某涡轮弯扭静叶栅流场分别进行了分析计算, 并在环形涡轮叶栅实验台上测试了该叶栅出口截面上气动参数的分布。通过分析、比较计算结果和实验数据, 既考核了算法, 也研究了弯扭静叶栅中的流动机理, 由此得出了对弯扭叶片的气动设计计算具有重要意义的几点结论。      

平面叶栅跨音绕流时间推进法中特征相容条件在边界点上的应用

在平面叶栅定常跨音绕流计算中,采用时间推进法,由于基本方程组是非定常欧拉方程组,属于双曲型,可以应用特征理论。在边界点上,特征相容方程精确地刻画了流动参量间的关系,使得数值处理更精确地反映无粘流的物理模型。本文从基本方程组出发,推导出适合于边界点应用的特征相容方程组的通用形式;并应用特征理论,讨论了平面叶栅绕流问题中边界条件的提法;对于边界条件的几种不同的近似处理方法,进行了数值试验,比较了它们对数值结果的影响。     

叶栅跨音速流场的Euler解

应用Jameson的有限体积法求解二维Euler方程，模拟叶栅跨音速流场，并运用当地时间步长和隐式残差平均技术加快收敛速度，计算结果与理论解和试验数据吻合良好，本文比较了采用两种不同的通量计算公式的计算结果。     

一种跨音速叶栅流场分析系统

本文建立了一种工程实用的跨音速叶栅流场分析系统,可进行跨音速叶栅无粘绕流和无粘流-边界层迭代计算。叶栅无粘绕流的计算以Denton拟流向“相对差分”方法为基础,y向采用松驰线性插值算法,所形成的解法能保证以较少的网点获得较准确的结果。边界层的计算采用积分方法,并考虑了紊流边界层的分离问题,文中还介绍了无粘流-边界层的耦合方式。应用本文方法对国内外多种压气机和涡轮叶栅进行了计算分析,所得结果与实验的吻合程度较好,因此,所提出的叶栅流场分析系统,可望为工程设计上实用的计算手段。     

高压涡轮工作叶片叶型设计研究

针对高压涡轮工作叶片叶栅型面特征,采用可压燃气黏性流2维计算方法对高压涡轮工作叶片叶型进行了气动研究,并通过试验验证了优化设计,得到了叶栅气动设计参数。经与初始叶型对比,优化叶型在各状态下损失特性变化更为平缓,在超临界状态下效率更高,在λ2is=1.20状态下的损失减少了2.8%。该方法缩短了设计时间,并且节省了平面叶栅吹风试验的成本。     

数值模拟二维跨音速叶栅可压粘性流动

用有限体积法数值模拟了任意回转流面跨音速压气机叶栅中的粘性流动，四步龙格－库塔法用于N－S方程的时间推进。给出了一种抑制叶栅计算中“数值失速”的方法，并采用隐式残差光顺技术加速收敛。用所发展的方法计算了三种叶栅在宽广来流Ma数条件下的流动，计算结果与实验结果吻合良好，流场激波具有较高的分辨率。     

二维粘性跨音叶栅流场计算中逆风因子法的应用

本文是二维亚音叶栅粘性流场计算的推广。在非正交贴体坐标中用有限差分法解非定常运动方程;用逆风因子法确保其数值稳定性。采用总温处处相等这个能量方程。时间步长由运动方程的离散方程的系数非负性确定。采用k-ε紊流模型。对DFVLR跨音叶型叶栅分别在进口马赫数为1.05和0.82的条件下作了数值试验。计算和实验的对比是满意的。     

求解跨声速压气机叶栅粘性流动反问题的数值解

阐述了一种以有限体积的时间推进方法为基础求解跨声速压气机叶栅设计的反问题方法。应用这一技术设计叶型,规定叶片表面无量纲目标速度分布,通过比较目标速度分布和计算获得的速度分布来修改叶片压力面和吸力面的坐标,最终获得要求的叶片形状。计算程序使用分布体力方法模拟粘性,用局部时间步长和多重网格方法加速收敛。还介绍了这种方法求解的基本方程系统,并给出了采用这种方法设计的无激波超临界跨声速压气机叶栅的设计结果。     

叶轮机粘性流矢量方程在曲线坐标系中展开的新方法和数值计算

本文讨论在非正交曲线坐标系中 ,粘性流矢量方程一种新的展开思路。应用这种展开方法可以得到项数减少很多的展开式 ,便于工程计算。文中同时给出了可压缩与不可压缩方程的展开式 ,给出了统一方程表达式。最后对二维不可压叶栅粘性流和三维可压叶栅粘性流进行了数值计算 ,计算表明本文给出的新展开方程是有实用价值的     

涡轮叶栅叶型损失的数值模拟方法

给出了一个计算亚、跨音涡轮叶栅叶型损失的数值计算方法。主流采用时间推进有限体积法求解积分型欧拉方程,并采用了局部网格修正技术;附面层采用全隐格式求解有限差分方程;在叶栅出口与远后方均匀流之间进行了叶片尾迹与主流的掺混损失计算。算例表明本文的数值方法可准确地预测涡轮叶栅的叶型损失。     

一种新非轴对称端壁成型方法的数值研究

根据叶栅内部二次流形成和发展的机理, 应用正弦函数和多项式函数建立了一种叶栅非轴对称端壁成型方法.采用三维时均可压缩N-S方程组求解技术, 数值研究了采用所建立的非轴对称端壁成型方法设计的跨音速直列叶栅的流动特性, 分析讨论了建立的非轴对称端壁成型方法的效果及其对叶栅流动特性的影响.计算结果表明:所建立的非轴对称端壁可以有效地抑制和延迟叶栅通道中二次流涡系的发展, 沿整个叶栅流道内总压系数明显降低, 成型过程中幅值控制函数中最大幅值约占7.5%叶高为宜, 叶栅出口位置处总压损失降低了约5.6%.      

低雷诺数下涡轮叶栅流动分离实验与数值模拟

应用实验测量和数值模拟相结合的方法,研究了低雷诺数条件下高负荷涡轮叶栅吸力面的流动分离。通过对叶片表面压力系数、叶栅出口尾迹以及叶片表面气流分离位置和重新附着位置的比较发现,计算结果与实验结果吻合得相当好。应用本计算方法,对低雷诺数条件下雷诺数和来流湍流度对涡轮叶栅的流场的影响作了准确的模拟,对叶栅吸力面的气流分离、再附等做出了预测。实验研究和计算结果都表明,低雷诺数条件下叶栅损失的急剧增大是由于在低雷诺数条件下叶片吸力面发生了气流的分离,雷诺数越低或者进口湍流度越低,叶片吸力面的气流分离就越严重,由此导致的叶栅损失也就越大。     

低压涡轮导向叶片平面叶栅试验及数值模拟

基于低压涡轮导向叶片平面叶栅设计性能的研究,进行了平面叶栅试验,并采用商用CFD软件NUMECA建立了平面叶栅3维计算模型,得到了各性能参数随出口等熵马赫数的变化曲线、叶片表面等熵马赫数分布曲线、以及S1流面等熵马赫数分布。计算与试验结果表明:数值模拟结果与试验结果吻合较好;本叶栅具有后加载特性,亚声速段的损失较小;在设计工况时流动状态较好,流道中没有出现超声速区和激波现象。     

7孔复合探针在平面叶栅流场测量中的应用

结合流场校测和压气机叶栅试验测试方法的研究工作,应用算术平均、质量平均和掺混均匀法3种数据处理方法,获得了叶栅流场数据,并对数据进行了对比和误差分析,探索了复合探针在叶栅流场测量中的应用范围及条件.试验结果表明:复合探针在跨声速、俯仰角为-15°～15°范围内具有良好的气动特性,3种数据处理方法均可用于平面叶栅流场测量.通过流场校测和叶栅试验,验证了复合探针在流场测量中具有准确性、稳定性和可靠性的特点,其数据处理方法为叶栅流场提供了基础性的测量手段.     

船用推进器低压透平末两级改型设计

为了改进船用汽轮机低压缸末两级涡轮的气动性能,对叶栅和子午流道进行了改型设计,并运用计算流体力学方法对原型方案和改型方案的内部流场进行了数值模拟.计算结果表明,在流量不变的情况下,这种综合优化设计方法能使汽轮机性能大幅提高,最终汽轮机效率提高了2.162％,功率增加了1.7％.最后对次末级动叶进行了环形叶栅试验,测量了叶片表面压力和总压损失沿叶高的分布.试验结果表明,改型设计优化了动叶中的载荷分布,从而有效地降低了叶栅二次流损失和叶型损失.     

跨声速流场计算的时间分裂有限体积法

本文用时间分裂有限体积法计算了翼型和平面叶栅的跨声速流场,计算与实验值的对比表明,数值结果是比较准确的。计算应用了滞止焓沿流线不变的关系来代替能量方程后,给出了差分方程的稳定条件。分析了跨声速流计算中,差分格式引进人工耗散的必要性。此外,本文还对加速计算收敛的方法及其效果作了探讨。     

应用 TVD 格式求解 N-S 方程预测透平叶栅二次流损失

应用ＴＶＤ格式和Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ代数紊流模型求解三维Ｎ－Ｓ方程,详细模拟出了一个直列透平叶栅中二次流及其损失在叶栅通道中的产生和发展过程,并给出了叶栅损失的分布状况,其结果深刻揭示了透平叶栅二次流损失的产生发展机制。本文计算得到的叶栅损失的栅距平均值沿叶高的分布曲线与实验值吻合良好,表明格式求解精度较高。     

弦向缝隙叶栅对边界层分离的控制

本文提出了一种在Ｓ１流面上进行势流与粘性流迭代求解弦向缝隙叶栅流场的计算方法，将Ｓ１流面上势流方程组的解与经Ｉ１１ｉｎｇｗｏｒｔｈ－Ｓｔｅｗａｒｔｓｏｎ变换后的边界层方程结合起来联立求解弦向缝隙叶栅流场。计算值同实验结果相当吻合，在正大攻角时，向缝隙叶栅能效地控制边界层分离。     

叶栅三维流场的实验研究

本文通过流动显示和详细测量,研究了叶栅中的三维流动。在平面叶栅风洞中,对非平直端壁的大弯度压气机叶栅所完成的测量,包括沿叶高的叶型表面上气流参数分布和叶栅通道中的整个流场。为了进行对比和详细研究端壁效应,还对二维叶栅完成了同样的测量内容。对所观察到的复杂流动现象进行了分析。实验结果还与叶栅全三维无粘流计算进行了对比。本文所获得的完整的三维流场实验数据,为建立叶栅流动模型,研究小展弦比叶栅中气流展向掺混的机理,以及为检验全三维流动计算方法提供了可靠的依据。      

涡轮导向器缘板安装缝隙泄漏特性数值模拟

针对某航空发动机涡轮导向器,采用数值模拟的方法研究了缘板安装缝隙泄漏流对叶栅通道流场结构及叶栅性能参数的影响,对比分析了不同泄漏流压力、缝隙宽度及缝隙相对位置条件下的泄漏量,及其对叶栅性能参数的影响规律.研究发现:在压差作用下冷气通过缘板安装缝隙进入燃气主流通道并在中段的位置形成螺旋涡系,对端壁二次流产生明显影响,其作用效果沿叶高方向逐渐降低,最大影响区域为44.44%叶高.计算结果表明:随着泄漏流压力的提高、缝隙宽度的增加、缝隙与发动机主轴方向夹角的变大,叶栅的能量损失系数和泄漏量都呈现出了单调增加的趋势.在研究的参数范围内,涡轮缘板安装缝隙导致的泄漏流可使叶栅的能量损失系数增加14%~62%.