叶轮机非定常气动设计的缘线匹配(I)理论与实施方法

针对缘线匹配展开理论与实施方法探讨,分析了缘线匹配潜在效益,并给出缘线匹配的两种实施方法:基于非定常流动束缚于拟流回转面假设的基元流动展向积分方法和全优化方法。分析指出:缘线匹配具有通过沿展高调协叶轮机相邻叶排非定常流动相位关系实现气动、气弹、气动噪声和热传导性能全方位、多目标优化潜力,为叶轮机非定常设计提供了新的设计自由度。     

叶轮机非定常气动设计的缘线匹配(Ⅱ)数值研究

缘线匹配通过考虑多叶排叶轮机相邻叶排间前排叶片尾缘线与后排叶片前缘线空间相对位置匹配关系来进一步提升叶轮机性能，有潜力使叶轮机非定常设计走向工程实际。以一单级跨声轴流压气机和一单级轴流透平为例，尝试用基元流动展向积分方法和全优化方法改善其性能，从而示例应用缘线匹配的具体方法及前景。结果表明，缘线匹配为叶轮机非定常设计提供了可操作的自由度。     

叶轮机非定常气动设计的缘线匹配(II)数值研究

缘线匹配通过考虑多叶排叶轮机相邻叶排间前排叶片尾缘线与后排叶片前缘线空间相对位置匹配关系来进一步提升叶轮机性能,有潜力使叶轮机非定常设计走向工程实际。以一单级跨声轴流压气机和一单级轴流透平为例,尝试用基元流动展向积分方法和全优化方法改善其性能,从而示例应用缘线匹配的具体方法及前景。结果表明,缘线匹配为叶轮机非定常设计提供了可操作的自由度。     

叶轮机非定常气动设计的缘线匹配技术

本文提出一种新的叶轮机气动设计自由度——缘线匹配技术。缘线匹配是指相邻两叶排中前排叶片后缘线与后排叶片前缘线的空间关系,更准确地说是其相位角关系。叶片尾缘线表征了叶片出口气流的分布型,它囊括了尾迹、激波、二次流等所有影响,另一方面,叶片前缘线代表了其对上游流场的势干扰。定常气动设计体系只能部分考虑叶片缘线的相互影响,大部分则被忽略了,然而在非定常框架下,相邻叶排缘线所代表的相互影响是显著的。本文首次提出了叶轮机非定常设计的缘线匹配技术,并通过理论分析及直列涡轮叶栅的非定常数值模拟结果展示了缘线匹配技术在未来提高叶轮机气动性能、气弹性能、气动噪声和热传导性能上的潜在能力。作者认为,缘线匹配技术将使叶轮机的非定常气动设计具有真实而可操作的内容,是叶轮机非定常气动设计的核心技术之一。      

考虑压气机动静干涉效应的非设计工况性能数值模拟

1引言非定常流动是叶轮机械内部固有的本质属性,而现有的设计体系中不论是在设计或分析时基本上采用定常流动的假设,从而忽略了非定常流动对叶轮机械在气动、结构强度等方面的影响。目前,国内外对非定常流动的研究比较多,但其中采用非定常流动数值模拟方法预估压气机非设计工况     

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。     

基于复合弯掠技术的轴流风机叶轮优化

基于叶轮机械全三维优化设计平台NUMECA/Design 3D,采用人工神经网络和遗传算法相结合的方法,通过复合弯掠技术对一低压轴流风机叶轮空间弯掠积叠线进行三维优化设计。优化目标为在设计工况点保持风机流量不变,尽可能提高气动效率和全压升。结果表明:复合弯掠优化使叶轮设计工况点的效率和全压升分别提升约1.92%和3.98%。复合弯掠优化使叶片负荷重新分布,改善了叶顶和叶根区域的流动,同时抑制了叶轮近吸力面叶根角区的流动分离和减小了叶顶泄漏涡的强度和影响范围,降低了流动损失,提高了叶轮气动性能。     

一种基于CFD的叶轮机非定常气动力组合建模方法

为了获得一个准确高效的非定常空气动力学模型并将其应用于叶轮机叶片颤振特性分析中去,论文发展了一种基于CFD方法的叶轮机非定常气动力组合建模方法,可以快速计算叶轮机叶片在等相角差振动时的气动阻尼系数。运用小扰动流场的叠加原理,通过不同通道数模型的非定常流场求解(通常需要两次或三次),针对流场的周期性边界条件,组合分析得到一系列更多通道数情况下的非定常气动力低阶模型。基于这种降阶模型计算的气动阻尼系数与直接的CFD方法计算结果吻合很好,计算效率提高10倍以上。     

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。     

轴流式叶轮机时序效应的机理探讨

对近年来关于轴流式叶轮机时序效应的一系列研究工作进行了分析整理。国外的实验表明:在涡轮中比在压气机中所获性能收益更为显著;对于压气机,在高速情况下比在低速情况下所获性能收益更为显著。本文对这种现象作了解释,并指出,时序效应产生的机理可以用非定常流动的相互干扰来解释,尤其重要的是,时序效应机理为我们利用非定常流动提供了一个切入点,促使人们在叶轮机气动设计体系中考虑流动的非定常性。另外在现有认识基础上,文中给出了一个利用时序效应的初步工程模型。      

非定常流动对叶片表面负荷分布影响的数值模拟研究

叶轮机内部非定常流动与叶片表面负荷分布之间的关系对于叶轮机的设计非常重要。本文利用数值模拟手段对单级轴流涡轮内部非定常流动进行了模拟，研究了上游叶片排尾迹和位势作用对下游叶片表面负荷分布的影响，并分析了尾迹在下游叶片通道内的演化图画。计算结果表明涡轮级环境中，上游叶片排的尾迹等对通道内部流动，叶片边界层流动损失的产生、发展和输运，以及下游叶片表面吸力面负荷分布产生明显的影响，需要在设计中加以考虑；本文还探讨了非定常效应应用于设计的可行性和思路。     

叶轮机叶片的三维造型及其对叶片气动负荷的影响

研究叶轮机叶片的弯扭及掠形等因素对叶片气动负荷分布的影响。给出了一个针对叶轮机内部流动的一般的掠角定义。基于线化的小扰动理论,用解析方法对叶片三维造型各因素的位势影响进行了分析,并用三维粘性数值模拟进行了验证和分析。分析结果表明,叶轮机叶片的弯扭和前缘掠形对叶片的负荷分布有重要的调节作用。合理利用三维造型的负荷调整功能可有效地调整负荷沿展向和弦向的分布,为叶型设计提供新的自由度。      

叶轮行波振动下的气动阻尼计算

为展开运动边界下离心叶轮流场的数值分析,独立开发了网格变形程序和非定常流动模拟程序,实现了流场中振动离心叶轮的气动阻尼计算。采用紧支径向基函数法进行结构到气动表面变形的数据传递,应用二叉树技术进行壁面距离的计算,大幅提高了网格变形和流场分析中距离搜索的计算效率。通过振动叶栅和径向叶轮的算例,验证了程序应用于运动边界流场计算和叶轮流场模拟的正确性。以半开式叶轮为对象,展开其在行波振动条件下气动阻尼的计算分析。结果表明,叶轮在前、后行波振动下的气动阻尼均为正,后行波振动引起的气动推力和气动阻尼较大,叶轮表面的平均气动功率密度呈现循环对称的分布特征。     

跨声速离心压气机多部件耦合优化扩稳

基于最优拉丁超立方采样、多项式代理模型、傅里叶幅值敏感性试验、梯度变异混合优化算法构建了跨声速离心压气机耦合优化方法,实现了自循环机匣处理扩稳的同时不降低等熵效率的目标。耦合优化后压气机气动性能全面提升,设计点和近失速点的等熵效率分别提高2.79%、1.82%,且峰值效率略高于实壁机匣压气机。耦合优化扩稳增效的机理是：自循环机匣抽吸流量增大,更多低能流体被移除;叶轮入口攻角改善,流动分离风险减小;前缘激波与叶尖泄漏涡干涉被抑制,叶轮下游低能流体减少,周向均匀性增强;机匣回流槽入射角增大,叶轮入口径向畸变被削弱;叶轮叶片尾缘安装角及扩压器有叶段尾缘半径的增大弥补了等熵效率损失;叶轮叶片前缘后掠角减小弥补了堵塞流量。     

对旋风机对旋叶轮级间流场的实验研究

采用实验方法对对旋风机对旋叶轮级间流场进行了研究。在改变级间间隙和前后级转速的情况下,采用五孔探针对级间压力场和速度场进行了了测量,并对结果进行了分析。研究表明:前后级动叶加功量的分配在对旋风机的气动设计中占有很重要的地位,这种分配可以通过转速的匹配来实现;在气动设计中,应增加对旋叶轮级间间隙的控制设计。      

离心叶轮气动阻尼的数值分析

为进行运动边界下离心叶轮流场的数值分析,独立开发了网格变形程序和非定常流动分析程序,实现了流场中振动离心叶轮的气动阻尼计算。采用紧支撑径向基函数法进行结构到气动表面变形的数据传递,应用二叉树技术进行壁面距离的计算,大幅提高了网格变形和流场分析中距离搜索的计算效率。通过振动叶栅和离心叶轮的算例,验证了程序应用于运动边界流场计算和叶轮流场模拟的正确性。以某离心叶轮为对象,展开其模态气动阻尼比的计算分析。结果表明:考察的两个模态下气动阻尼比均为正值,小幅振动下模态气动阻尼比与振幅无关,轮盘振动模态下叶轮的气动阻尼比随工况接近失速而逐渐减小。      

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。     

定常假设优化叶型在非定常数值模拟下的气动性能研究

利用数值模拟手段对基于定常假设条件优化得到的涡轮动叶叶型进行了非定常研究,分析了优化前后叶型在非定常流动条件下的性能表现,对比定常计算结果和实验结果,表明基于定常假设优化得到的叶型在非定常流动条件下仍然具有较好的气动性能,但非定常计算更能准确地反应叶型的真实性能。     

叶栅等离子体流动控制布局优化和影响规律

为提高流动控制能力,基于高负荷压气机叶栅的流场特性和等离子体气动激励特性,对等离子体流动控制的激励布局进行优化,通过选取典型激励布局,实验揭示了不同因素对等离子体气动激励抑制叶栅流动分离的影响.结果表明:吸力面激励布局中,靠近前缘流向激励的作用效果强于展向激励和尾缘激励,沿流向分布多组电极的激励效果最佳;端壁激励布局中,横向激励的作用效果明显强于流向激励;组合激励布局中,基于端壁横向激励和吸力面流向激励的组合布局的激励效果最佳.等离子体气动激励的作用效果随着激励电压的增大而增强,随着攻角的增大其作用效果先增强后变弱;变定常激励为非定常激励,通过耦合流动的不稳定性,可以提高等离子体气动激励流动控制效果.      

飞机大迎角非定常气动力建模研究进展

准确建立非定常气动力数学模型,是飞机大迎角飞行控制律设计、飞行动力学分析和飞行仿真的基础与前提。鉴于此,对大迎角非定常气动力建模研究进展,包括数学建模方法和人工智能建模方法两类进行了系统综述。其中：数学类建模方法是以对非定常流动现象和机理认识为基础的,主要有气动导数模型、非线性阶跃响应模型、状态空间模型、微分方程模型、非线性阶跃响应与状态空间混合模型以及迎角速率模型等;人工智能方法回避了复杂流动机理,属于黑箱非线性系统建模,主要有神经网络模型、模糊逻辑模型和支持向量机模型等。对于每种气动力模型,阐述了其建模思路和方法,给出了典型应用情况,并对其特点和局限性作了简要评述。最后,指出了当前大迎角非定常气动力建模研究工作存在的问题和未来研究方向。