高速离心压缩机旋转失速的三维数值模拟

使用商业计算流体力学软件CFX求解三维雷诺平均的Navier-Stokes方程组,结合出口气腔模型对某带无叶扩压器的离心压缩机的旋转失速现象进行数值模拟。首先使用定常计算得到了该离心压缩机的稳态性能曲线,并和实验测量值进行了比较。然后引入出口气腔模型,模拟离心压缩机内的旋转失速流动。在小流量下,从沿流线方向速度等值线图和径向速度等值线图中观察得到了离心压缩机内部流场的非定常流动现象。还研究了气腔模型不同参数对失速流动的影响,结果表明气腔体积越大,计算得到的失速频率越低。     

离心压缩机叶轮旋转失速的相空间重构及分形特征

结合非线性动力学中的相空间重构和分形理论,提出了一种分析离心压缩机叶轮旋转失速动力学特征的方法.采用数值方法对低速离心压缩机(LSCC)叶轮旋转失速状态进行了模拟,得到了失速工况下叶轮出口多个位置的气流压力时间序列.对各压力时间序列进行相空间重构,构造出一低维动力系统,其时间延迟和嵌入维数通过运用C-C方法得出.对重构的动力系统的相图进行了分形特征分析,计算了相应的分形维数.研究表明:叶轮旋转失速后系统的压力信号具有混沌特性,在相图上表现为具有分形结构,揭示了旋转失速后系统的动力学特征.计算分析分形维数后发现,数据采集点位于相同半径处计算得到的分形维数相近,约为3.39;数据采集点的半径增大时,分形维数减小.     

跨音压气机旋转失速机理及实验研究

本文根据涡旋理论建立了旋转失速工况下的涡系流动模型。利用该流动模型计算而得的速度场与实验数据进行了对比。对比结果表明,它比小扰动线化理论以及其它方法的计算结果更符合实际流动情况。 文中还对跨音转子在几个非设计转速(8000转/分;13000转/分;15000转/分)下的旋转失速现象进行了详细的实验研究,观察到了一些有研究价值的新的流动现象。     

基于高效特征值分析方法的旋转失速先兆预测

旋转失速限制了压气机稳定工作的范围,对其进行深入理解并实现准确预测是控制失速、提高裕度的关键。现有模型大多基于一定程度的几何和流动简化,不考虑三维效应及流动复杂性,直接应用于三维压气机失速预测时仍面临巨大挑战。同时,尽管试验测量和模拟仿真水平不断提高,试验和数值模拟多为唯象研究,缺乏对压气机流动失稳根本原因的揭示。此外,由于三维复杂流动精细化测量和高保真模拟的复杂性,大多数失速研究针对某一压气机若干孤立工况开展,缺乏系统的参数化研究,难以提炼出旋转失速关键影响因素。为弥补试验测试空间分辨率低和非定常流动模拟成本高的缺陷,提出了一种基于三维流动方程高效特征值求解的全局稳定性分析方法。一方面可以获得试验测量难以达到的空间分辨率,另一方面能够以比非定常模拟小2～3个量级的成本获得丰富的三维流场小扰动发展过程。针对某典型跨声速压气机环形叶栅,所发展的分析方法计算成本仅为定常特性线计算的28%,相比于非定常计算实现了约155倍的加速,为压气机旋转失速准确快速预测和机理研究提供了重要的研究工具。     

轴流风扇“尖峰型”失速起始特征及其物理机制的实验及数值研究

为了探索风扇失速起始特征及诱因,采用动态流场测量试验与三维粘性流场数值模拟技术,对单级轴流风扇NPU-fan的"尖峰型"旋转失速流场和基本特征进行了研究。实验研究结果表明,轴流风扇NPU-fan在设计转速和非设计转速下均出现了典型的"尖峰型"全叶展失速的旋转失速现象,动态探针测量捕捉到了"尖峰型"失速先兆波及其特征,并且测量得到扰动波的初始转速均约为70%转速;三维流场计算表明,静子叶根角区失速会严重影响风扇的效率,但并未触发压气机的失稳。NPUfan风扇的失速情形符合Vo等提出的尖峰波失速先兆出现准则,是典型的叶尖区流动诱发的风扇/压气机失稳。     

基于节流阀模型跨声速轴流压气机失速特性研究

为了研究跨声速轴流压气机失速特性,基于节流阀模型,对跨声速轴流压气机转子NASA Rotor 37进行了数值计算,得到了整个失速过程中的流场分布.结果表明,随着阀门进一步关小,压气机逐渐进入旋转失速,在失速发展过程中,失速团逐渐扩展至10％ ～ 20％叶高,并绕着旋转轴以低于转子转速同方向旋转.     

微尺度离心叶轮间隙泄漏流动堵塞模型

通过理论分析结合数值模拟,开展了针对微尺度离心叶轮间隙泄漏流动堵塞模型的研究.结合微尺度旋转机械低雷诺数和高马赫数的工作条件,建立了考虑可压缩性和黏性损失的间隙泄漏流动堵塞模型.通过数值模拟分析了微尺度间隙泄漏流动特征及黏性在其中的作用,判定黏性作用对间隙泄漏流动的驱动作用不可忽略,黏性作用与压差作用对间隙泄漏流动的驱动作用效果相当.同时,黏性作用还会导致间隙泄漏流动的初始堵塞增大.采用某微尺度离心叶轮对间隙泄漏流动堵塞模型进行了验证,从数值计算结果中提取气动堵塞结果并与模型预测结果进行对比,表明改进的间隙泄漏流动堵塞模型能更准确地对间隙泄漏流动堵塞进行评估,在微尺度条件下具备更好的适用性.      

旋转总压畸变对压气机稳定性影响的三维非定常模型

基于三维非定常激盘模型,发展了一个可用于预测压气机动态失速特性及旋转总压畸变对压气机气动稳定性影响的三维非定常计算模型,并利用该模型计算分析了旋转总压畸变的幅值和旋转频率变化对一台双级低速轴流压气机性能和气动稳定性的影响.计算结果表明,旋转总压畸变的幅值和旋转频率对压气机的性能、动态失速过程特性和失速边界有强烈的影响;...     

Eckardt离心叶轮失速流场非定常特征分析

为明确离心压气机失速流场特征及类型,对Eckardt离心叶轮进行全通道非定常流场模拟,得到以下失速流场特征结果:(1)叶片前缘叶顶区域明显存在4个突尖型失速团,同时前缘涡、通道涡和低速二次涡共同作用形成流道内的非定常不稳定流动,诱发旋转失速;(2)与轴流叶轮突尖失速特征相似,离心叶轮内同样存在前缘溢流,但不存在尾缘反流,而呈现与径向和周向扭曲结构相关的新特征:叶顶间隙流与流道中的偏转二次流汇合,形成尺度更小、范围更大的低速二次涡。经进一步的空间傅里叶分析,确定失速团以60%～73%的叶轮转速沿周向传播,且由叶轮入口向下游移动,伴随发生涡脱落和破碎,使流场进入深度失速状态。通过分析这些失速流场特征,得出离心叶轮中突尖失速特征与轴流相比既有相同之处也有不同之处的结论。     

预测轴流压气机工作稳定性的非线性模型

建立了预测轴流压气机工作稳定性的非线性模型,采用有限差分数值模拟单转子和一台三级轴流压气机旋转失速的形成和发展过程,预测失速特征参数。由于合理地考虑了失速流动的非定常和非线性因素的影响,大多数失速特征参数的预测结果与试验测量值相符。     

离心压气机无叶扩压段流路控制扩稳机理

为寻求叶轮-扩压器间无叶扩压段流路控制的扩稳机理,选取某离心压气机为研究对象,利用数值模拟的方法,通过流场分析解释其失速机理,并在此基础上重新设计无叶扩压段机匣结构,探讨一种有效流路控制扩稳方式.分析结果表明:将无叶扩压段机匣结构设计为先收缩后扩张型后,离心压气机稳定工作范围提高了2.8%,但绝热效率有所降低.      

Experimental investigation of characteristics of instability evolution in a centrifugal compressor

The stable range of operation for the centrifugal compressor significantly influences the dynamic, economic, and environment-friendly characteristics of power systems. A deep understanding of the characteristics of instability evolution is necessary to improve the compressor stability. A centrifugal compressor equipped with a vaneless diffuser is experimentally investigated using highresponse static-pressure measurements. The results obtained indicate that three typical rotationalspeed ranges ex...     

离心压气机无叶扩压器旋转失速实验研究

人们通常把呈现准同步的旋转速度脉动这种不稳定流动现象定义为旋转失速。当压气机的流量减小到一定程度会出现这种现象。它使得压气机的性能下降,甚至可构成激振源,限制了压气机的运行范围。因此研究失速的特征对设计和运行压气机有一定的指导意义。      

离心压气机不稳定流动的时频特征分析

离心压气机失稳过程是一个非常复杂的动态过程,提高离心压气机运行的可靠性需要准确获取失稳过程的时频特征。针对带无叶扩压器的高速离心压气机失稳过程中叶轮出口的动态压力数据,采用时空本征模态分解(STIMD)算法和经验模态分解(EMD)算法进行分解,得到了多个本征模态函数(IMF),并结合Hilbert变换对不稳定流动的动态特征进行分析。结果表明,STIMD算法得到了深喘和浅喘的时频信息,观察到了频率在150 Hz附近持续波动的失速现象,并捕捉到了浅喘先兆的频率曲线由抖动向恒定的过渡过程。STIMD算法改善了EMD的模态混叠问题,为压气机失稳分析提供了一种工具。     

高负荷离心压气机管式扩压器特点及机理分析

以某高负荷离心压气机为研究对象,进行管式扩压器设计,借助于数值模拟的方法,对影响扩压器性能的重要参数--喉部面积进行参数化研究,并详细分析了管式扩压器特殊的进口结构对压气机内部流场的影响,初步探讨了管式扩压器喉部设计准则,摸清其提高效率扩大稳定工作范围的机理.     

高负荷离心压气机扩压器叶片前缘开槽流动机理研究

扩压器前缘几何结构直接决定着扩压器的性能和内部流场特性,为进一步拓宽离心压气机的稳定工作范围,以高负荷离心压气机为研究对象,利用经过校核的数值模拟方法开展扩压器叶片前缘开槽流动机理研究,详细讨论了扩压器开槽对压气机性能及内部流动影响的机理。研究结果表明,扩压器叶片前缘开槽能够在保证离心压气机性能基本不变的前提下,使其失速裕度提高13.5%,与原型扩压器相比,扩压器叶片前缘开槽所诱导的间隙泄漏流能有效抑制扩压器通道内的流动分离,从而提高了离心压气机的稳定裕度。     

扩压器对基本级性能的影响

使用数值方法和试验手段研究了带无叶扩压器和不同进口安装角的叶片扩压器对基本级的性能影响.针对带无叶扩压器的基本级，重点研究了近喘振点、设计点、近阻塞点3种工况的内部流动特性，结果表明近喘振点的叶轮叶片进口、叶轮叶片出口、回流叶片背面均存在低速涡流区，而设计点和近阻塞点的流动状态良好，对于近阻塞点，流动速度较大引起的摩擦阻力损失增大，导致了基本级多变效率下降很快；对带单圆弧叶片扩压器的基本级，细致地研究了匹配不同进口安装角的单圆弧叶片扩压器对喘振裕度、阻塞裕度和效率的影响，结果表明:在出口安装角不变的情况下，扩压器进口安装角比设计值降低3°，基本级的多变效率和多变能头系数达到最佳值.      

叶尖间隙分布对内燃机增压压气机性能影响

采用三维CFD(计算流体动力学)方法,对两种相反叶尖间隙分布方式的无叶扩压器压气机级进行了详细流场分析,研究了叶尖间隙分布对跨声速离心压气机叶轮及扩压器性能的影响机理.结果表明,非均匀分布弦向间隙分布叶轮有较宽的稳定工作范围;出口轴向间隙小于进口径向间隙的压气机级压比和效率明显高于出口轴向间隙大于进口径向间隙的压气机级.较小的出口轴向间隙削弱了叶轮通道后半段间隙流动,显著提高了叶轮后部做功能力,获得更高的级压比;并使叶轮后部间隙涡强度及涡在叶轮通道和扩压器通道内耗散损失小,压气机级效率更高.      

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。      

基于小波神经网络的无叶扩压器失速分析

用来自不同文献的实验数据作为样本,对小波神经网络进行训练,并利用训练好的神经网络研究叶轮和扩压器几何尺寸对无叶扩压器失速的影响.计算分析结果表明:几何尺寸对于宽、窄扩压器失速的影响表现不同,这也证明了不同宽度的扩压器的确存在不同的失速机理.文章的结果,对无叶扩压器的设计具有一定的借鉴意义.