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。     

轮毂封严与高负荷涡轮端区流动的非定常相互作用

为了研究轮毂封严出流与高负荷涡轮端区流动非定常作用的物理机制,对转/静叶片之间带有封严腔的高负荷单级涡轮的流场进行了三维非定常数值模拟。数值模拟结果表明,封严气流对上游导叶的影响表现为对端区流动的堵塞作用,这种堵塞作用减弱了吸力面的压力扰动和加速膨胀,减小了吸力面的分离损失。封严流量较小时,封严腔内存在尺度大、频率低的压力扰动,压力扰动的强度向主流传播的过程中不断减弱。这种沿周向分布不均匀的封严气流直接导致了转子叶片通道出口二次流分布的不均匀性。封严流量增大后,压力扰动的影响程度和二次流分布的不均程度均有所减弱。     

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。     

轴流压气机转子旋转不稳定性检测及机理探讨

为了探究固定通道中叶尖泄漏流非定常性引起旋转不稳定性(RI)的物理机理,以轴流压气机转子为研究对象分别进行试验和数值研究。通过对机匣壁动态压力信号的分析获取其叶尖流场的非定常特征,发现RI仅在靠近失速边界的狭窄的流量范围工况出现,RI的模态随时间变化。在此基础,采用五通道的数值模拟方法对该转子的内部流场进行了研究。结果表明,数值模拟流场中出现的静压扰动的变化规律和频率特征与试验测量结果一致,多通道的数值模拟成功地预测出RI产生的过程。进一步的流场分析表明,固定通道中出现了泄漏流自诱导非定常性,其对通道压力面近叶尖区压力分布的影响使得相邻叶片的泄漏流也出现自诱导非定常性,该过程在叶尖环面沿周向传播导致了RI现象的出现。     

大扩张角涡轮过渡段非定常流动数值仿真

为进一步减小涡轮过渡段流动损失,深入了解涡轮过渡段中的非定常损失机理,开展了大扩张角过渡段研究。在过渡段的非定常流动机理研究中,过渡段进口流场的最显著特点是:转子泄漏涡、通道涡和尾迹。采用数值方法对大扩张角涡轮过渡段进行3维非定常数值仿真。结果表明:支板尾缘部分的静压波动小于支板前缘部分的;高压涡轮静子尾迹被转子切割后进入转子通道中向下游传播并在过渡段内形成尾迹通道,尾迹在过渡段内的时空演化是过渡段内损失的主要来源;过渡段支板表面负荷分布发生明显的周期性变化,支板表面承受较强的非定常力,在过渡段设计中必须考虑。     

叶轮机械全环非定常大规模并行模拟程序设计

为了更加精确地模拟叶轮机械内部复杂的三维非定常流动,开展了全环网格模拟方法探索,提出了针对滑移面的守恒变量插值和高效的大规模并行计算解决方案。基于千万亿次高性能计算平台,自主开发了非定常数值模拟程序,采用单级压气机、1.5级涡轮和3.5级高负荷压气机三个算例进行了程序的验证与确认,以及并行效率测试工作。模拟采用的最大网格数为2亿,计算核心数为4096个。结果表明:程序计算得到的整体气动性能与试验数据吻合良好;程序所采用的全环非定常计算模型能保证交界面处物理量的连续,削弱非物理熵增,得到更加可信的流场解;所采用的METIS的网格分区方法以及MPI并行策略使程序具有良好的负载均衡和并行效率;同时程序对超大规模的复杂问题具备良好的可扩展性和适应性,能够满足工程实际问题的流动分析和叶轮机械的精细流动研究要求。     

上游尾迹与涡轮转子泄漏流相互作用数值模拟

叶轮机内部流动本质上是周期性非定常的,研究涡轮转子叶尖区域的非定常相互作用机理,对提高小展弦比高负荷涡轮性能具有重要意义.利用数值模拟方法研究了上游静子尾迹与涡轮转子叶尖泄漏流的非定常相互作用,分析了定常结果、时间平均结果以及瞬时时刻结果的流动图画.结果表明:上游静子尾迹与涡轮转子尖区二次流的相互作用能明显影响泄漏涡和机匣通道涡的时空演化规律,从而改变转子尖区的损失分布.上游尾迹在转子通道中传播时,诱导泄漏涡和通道涡区域出现周期性的扰动涡对,扰动涡对沿着泄漏涡和通道涡的轨迹向下游运动,使得转子尖区二次流结构呈现周期性变化.      

高负荷涡轮端区非定常流动相互作用研究

采用三维黏性非定常数值模拟方法研究了某型高压涡轮端区非定常流动相互作用,着重研究了上游静子尾迹与转子二次流的非定常作用机制,同时还分析了负荷分布、激波等对端区非定常流动的影响。结果表明,静子尾迹的非定常作用一定程度减小了转子轮毂二次流的径向涡量;尾迹对流向涡量的影响取决于尾迹沿叶高的分布,当吸力面一侧的尾迹具有与二次流方向相反的流向涡量时,二次流的流向涡量减小;非定常效应还使得转子叶片根部负荷略为减小,也一定程度上抑制了转子轮毂二次流的发展。此外,受静子尾缘激波的影响,转子叶片表面负荷分布发生明显的周期性变化,导致叶片表面承受较强的非定常力,在涡轮设计中必须考虑。另外,通过计算涡轮级中的熵增和熵产,定量地分析了端区非定常相互作用产生的损失,并得到了一些有意义的结论。     

位势场与涡轮端区二次流的相互作用机理研究

采用数值模拟方法,研究了某亚声速涡轮内部下游导叶位势场与动叶端区二次流和叶尖泄漏流的非定常相互作用,详细分析了不同时刻的流动特性。结果表明:受下游导叶的非定常位势作用影响,动叶出口瞬时时刻二次涡结构呈现明显的周期性变化,并导致动叶出口熵增和效率均随时间改变,文中利用旋涡运动学理论对产生这一现象的流动机理进行了深入探讨。     

脉动来流对涡轮非定常气动性能影响机理

以周期性脉动来流模拟旋转爆震燃烧室出口流场,研究了来流脉动幅值和频率对GE-E3高压涡轮级非定常内流特性的影响机理。结果表明:来流脉动幅值的增加会加强涡轮内部流场的非定常性,放大流场参数的时空差异;随着脉动频率的增加,涡轮内部流场的脉动幅值逐渐减弱,不同动叶时均载荷分布趋于一致。在来流脉动频率为5 244 Hz的条件下,来流脉动系数逐步增加到04时,涡轮效率降低1399%;而在来流脉动系数为03的条件下,来流脉动频率逐步增加到10 488 Hz时,涡轮效率降低1557%。来流脉动幅值和频率的增加会加剧端壁二次流动和叶栅流动分离,并使得动叶进气攻角偏离设计状态,降低涡轮的工作效率。     

涡轮级内非定常流场的数值研究

对涡轮级内非定常流动进行了数值研究,探讨了转子和静子叶片之间的非定常相干的机理。结果表明,高频振动对整个流场的非定常性没有太大的影响,1倍频处的波动幅度占据主导地位,可用正弦函数近似表示叶片上力随时间脉动,时均效应和1倍频效应的影响是统一的。静叶尾迹中波动最强烈的区域正好撞击到动叶通道中央,非定常脉动影响主要出现在前缘附近。     

轴流压气机叶片排流场非定常频谱特性试验技术

为了揭示轴流压气机叶片排的非定常流动特性，同时与压气机气动性能和气动稳定性相关联，开展了轴流压气机叶片排流场非定常频谱特性试验研究，并对该试验的试验技术和参数测试方法做了相应介绍。试验结果表明，该试验技术对进行轴流压气机叶片排流场非定常频谱特性试验是行之有效的。     

跨声速多级压气机中的非定常流场频域分析

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,并在此基础上对典型径向截面的非定常流场进行了频域分析。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,可以看到一些在时域流场中很难直观看到的现象;轴向速度受尾迹的影响非常大,且在沿流向发展过程中,随着谐波阶次增加,幅值沿轴向的振荡幅度降低,幅值衰减的速度也加快;各叶排进口1阶谐波幅值在S3面内的分布受到下游叶排的势干扰,周向最大值点沿径向的走势与叶型的径向弯曲一致;气流密度、静压和总压受尾迹的影响较小,而气流静温、总温受尾迹的影响较大。     

翼型动态特性数值模拟及其影响因素分析

采用非结构动网格技术模拟了NACA 0012翼型绕1/4弦长位置俯仰的强迫振荡过程,验证了翼型的周期性动态气动特性。分析了不同的湍流模型、单周期内步数和内迭代次数等因素对计算结果的影响;研究了马赫数和减缩频率对动态气动迟滞特性的影响。结果表明, Transtion SST模型得到的结果更准确;单周期内计算步数大于200时,计算结果收敛性更好;随着马赫数变大,迟滞效应先增大后减小;在亚音速区,迟滞环沿逆时针方向,动导数小于零,模型动稳定;而在跨音速区,迟滞环沿顺时针方向,动导数大于零,模型动不稳定;减缩频率越大,翼型动态迟滞效应越明显。     

基于CFD的动导数计算与减缩频率影响分析

以CFD流场与气动力计算为基础,分别利用小幅度强迫振动模式和差分两种方法推导了飞行器的纵向组合动导数计算表达式;建立了基于CFD技术的飞行器动导数计算方法;以国际标模Finner导弹为例,利用所推导的两种方法进行该导弹的动导数计算,重点分析了减缩频率对动导数计算的影响,提出了利用CFD方法开展动导数计算时减缩频率的选择...     

平面叶栅非定常流动试验方法研究

叶轮机内流的非定常流动特性对叶轮机的性能有重要影响，随着人们对内流非定常效应认识的逐步深入．研究内流非定常特性及其物理本质对提高叶轮机性能有着重要的意义。本文在平面叶栅试验器上进行了叶片表面分离流内旋涡的非定常特性测量和外加激励对叶栅性能影响的试验研究。     

对圆柱和二维扩压叶栅在平面叶栅风洞中旋涡脱落的试验研究

随着叶轮机设计技术的发展，对流动非定常的了解显得越来越急迫。而在叶轮机的流动中，尾流是导致流动非定常的一个重要因素，因此对尾流流动特性的研究就显得很有必要。本文在不同的平面叶栅风洞中对圆柱及二维扩压叶栅进行了吹风实验，利用传声器、热线热膜以及动态压力传感器等动态测试仪器，对圆柱和二维扩压叶栅后旋涡脱落情况进行了试验研究。实验结果显示，在平面叶栅风洞内的圆柱体尾流中有类似在外流中的卡门涡街脱落现象．但所对应的斯特劳哈数比外流稍小。更重要的是，还首次得到了二维扩压叶栅后明显的旋涡脱落特征频率，证实了在二维扩压叶栅非定常流动中也伴随着有规律的旋涡脱落。这些结果将为利用外流的成果和更全面地考虑叶轮机的气动设计提供很重要的参考作用。     

转静干涉下转子叶片的非定常压力频谱

分别采用多通道模型和相位延迟方法的单通道模型对一压气机转子叶片因转静干涉引起的表面非定常压力进行了分析.对比了转子叶片表面非定常压力的时域和频域信息,并对其高阶主导频率进行了分析.结果表明:相位延迟方法与多通道法计算结果吻合,转子叶片非定常压力的峰值频率为叶片通过频率及其倍频,叶片中部以上区域2倍叶片通过频率的非定常压力幅值约为1倍频的2倍,分析认为这是由尾迹输运和激波振荡导致的,可为深入分析叶片由振动导致高循环疲劳失效的成因提供参考.      

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。     

脉冲进气条件下可变喷嘴涡轮性能影响因素分析

为了改善涡轮和发动机的匹配,采用计算流体动力学(CFD)方法研究了脉冲进气条件下脉冲频率、脉冲振幅、喷嘴角度以及涡轮转速对可变喷嘴涡轮非定常性能的影响.研究结果表明:脉冲频率为80Hz时涡轮瞬态最低流量比40Hz时提高了10.4%,瞬态最低效率增加了4.7%,效率滞后现象更加明显;低脉冲振幅为25kPa时涡轮通流能力和效率迅速恢复,并且指出在低脉冲振幅时采用稳态设计是可行的;喷嘴角度为32°时,涡轮脉冲进气与稳态进气两种情况下的流量差异比喷嘴角度为10°时增加了3.3%,效率差异则增加了6.6%.涡轮内部脉动强烈,涡轮通流能力和效率下降明显;涡轮转速为47256r/min时脉冲进气造成的流量和效率变化分别比30000r/min时相应值高了2.9%和0.8%,高转速时涡轮内部流场易受到进口条件影响,涡轮流量、效率以及攻角与稳态情况偏离大.