压气机二维动叶栅非定常流场的大涡模拟

对压气机二维动叶栅,采用单通道和多通道计算模型进行了大涡模拟(LES),研究了节流过程中内部流场的非定常波动特征,分析了旋涡结构和波动频率的变化规律.结果表明:大流量工况时,前缘绕流和叶片吸力面分离产生的两种非定常波动共存,波动频率随压气机节流基本保持不变,此时吸力面分离表现为小尺度旋涡结构;近失速工况时,吸力面发生大尺度的流动分离,波动频率明显下降,低于叶片通过频率.      

尾流撞击效应对轴流压气机下游叶排涡面的影响

针对某高负荷高压压气机末级,通过研究上游转子尾迹涡面周期性扫掠对下游静子涡面的影响,从涡面非定常作用的角度分析流场时空结构.结果表明,流场性能的改善与涡面时空结构相对应,尾迹涡面同分离涡面的相互作用可显著降低流动损失;与上游尾迹涡面发生耦合的是叶片尾缘旋涡交替脱落频率而非吸力面前缘分离涡不稳定频率.      

基于DDES方法的叶栅分离旋涡的非定常流动数值研究

为了研究叶栅分离旋涡的非定常流动特性,选取亚声速叶栅为研究对象,进行了基于延迟分离涡模拟方法 (DDES)的非定常数值模拟。针对进口Ma0.3的情况,对比分析了进口攻角、叶栅稠度、叶片弯角、叶片中弧线弯度分布和叶片厚度等因素对于叶栅分离旋涡运动的影响。结果表明,当攻角增大时,尾迹附近流场会逐渐由定常模式转化为非定常对涡脱落模式,同时对涡脱落频率不断减小;随着攻角的进一步增大,叶背分离强度不断增加,叶背分离涡开始单独脱落,并主导流场旋涡运动。强烈的叶背分离涡脱落引起了叶片气动力的剧烈脉动,其幅值是小攻角状态下由尾迹对涡脱落引起叶片气动力脉动的30倍以上。叶栅几何参数的改变对于流场旋涡运动同样有很大影响,流场同样呈现出"定常尾迹"、"对涡脱落"、"叶背分离涡脱落"这三种主要的旋涡运动形式之一。叶背分离点的相对位置则是影响旋涡非定常运动形式和旋涡脱落频率的主要内在因素。     

高负荷压气机叶栅内三维旋涡结构及其形成机理的研究进展

压气机内的三维流场中存在着复杂的旋涡运动及气流分离,这些复杂的流体运动影响着压气机的高效及稳定运行,有必要了解并掌握压气机内旋涡结构的产生与发展机理。本文首先回顾了叶轮机械内经典的旋涡模型,重点综述了压气机叶栅旋涡模型的研究成果。然后,详细介绍了在矩形扩压叶栅和跨声速压气机静叶的旋涡结构方面取得的阶段性研究成果,分别讨论了三维旋涡结构的三种研究方法,验证了数值计算获取叶栅旋涡结构的可靠性,阐述了高负荷矩形扩压叶栅旋涡结构与流动损失的关联性,建立了跨声速压气机静叶三维定常旋涡结构模型,揭示了压气机静叶失速过程的涡动力学机理,并分析了非定常因素对静叶旋涡结构的影响规律。最后,针对今后在压气机旋涡结构的发展中会遇到的技术挑战和未来的发展方向做了几点展望。     

压气机二维叶栅涡脱落的数值模拟

对某压气机二维叶栅的非定常分离流场进行了数值模拟,通过对多种工况的计算,进行了频谱分析,对叶栅非定常流动的流场结构和流动机理做了初步的探讨。在来流均匀,定常边界条件下,叶栅内流动仍然表现出强烈的非定常性;在大攻角下有类卡门涡的脱落;旋涡脱落的频率,随着攻角和马赫数的变化而变化;分离点的位置随着攻角和马赫数的变化而变化。     

高速压气机叶栅旋涡结构及其流动损失研究

为揭示高亚声速来流条件下压气机叶栅内部流动特性,对高速压气机叶栅通道内旋涡结构和流动损失的产生与演变规律进行研究。首先建立了数值仿真模型并用实验验证,然后详细研究了叶栅通道内主要旋涡结构、拓扑规律和旋涡模型,最后分析了叶栅通道内流动损失与旋涡结构的内在联系。高速压气机叶栅通道内主要存在马蹄涡、端壁展向涡、通道涡、壁角涡、壁面涡、集中脱落涡和尾缘脱落涡7个集中涡系,通道涡由端壁来流附面层中发展而来,是角区复杂旋涡结构的主要诱因;攻角由0°增大为4°,通道涡的涡核更早地脱落端壁附面层向角区发展,但对角区流动的影响减弱,叶片尾缘未形成明显的集中脱落涡。伴随着集中脱落涡的消失,叶栅固壁面拓扑结构中,叶片尾缘吸力面上没有出现与集中脱落涡对应的分离螺旋点,并且与叶中脱落涡层相对应的分离线和再附线消失,尾缘脱落涡仅包含近端区的一个分支。由总压损失沿流向和展向的变化规律,叶栅通道流动损失主要来源于角区复杂旋涡结构引起的强剪切作用,近端壁区的总压损失与角区主要涡系结构的生成和发展密切相关;攻角由0°增大至4°,角区旋涡的影响能力变弱,近端区流动损失减小,与叶中部位总压损失的差异缩小。     

一种叶顶叶栅结构对压气机间隙流动的影响

为减小压气机间隙流动带来的流动损失,提出了一种新的叶顶结构,即在常规叶片叶顶上构造出由数个小叶片组成的叶栅.通过对具有该结构叶片的三维流场进行数值模拟,分析了端壁移动对压气机间隙流场的影响.结果表明:该结构明显改善了叶顶附近的流动状况,从泄压和导流两方面抑制了叶顶附近流体从压力面向吸力面的泄漏,有效削弱泄漏涡的强度,进而减小泄漏涡扩散带来的损失,提高了压气机气动性能,相比常规叶片叶栅出口总压损失系数减小达1.158%.      

大转角正弯扩压叶栅流场性能实验与数值研究

实验对不同冲角下三种叶型折转角环形压气机直、弯叶栅进、出口流场进行了详细的测量,并利用实验结果对数值模拟结果进行了校核,得到了详细的直、弯叶栅流道内的计算结果。结果表明,大折转角叶栅流道内旋涡由多涡结构向单一涡结构转变的趋势明显,叶片正弯使得流道内近吸力面的涡系径向掺混作用加强;叶展中部流动分离的加重导致集中涡系破裂,从而引起流道内气流的严重堵塞,这是损失激增的主要原因,因此,要在高负荷压气机叶栅中应用正弯叶片,必须有效抑制中部流动的恶化。     

平面压气机叶栅通道分离流动高精度直接数值模拟

采用高精度有限差分格式直接求解二维Navier-Stokes方程组,数值模拟V103平面压气机叶栅分离流动,数值结果表明:在瞬时流场中,吸力面后部发生流动分离,在分离区前端存在大尺度分离涡,分离涡下游是由二次涡和脱落涡交替形成的涡串,直至叶片尾缘,形成以脱落涡为主结构的尾迹;在时均流场中,吸力面后部存在短分离泡,分离区压力分布存在明显压力平台。与逆压力梯度下平板边界层分离流动相比,瞬时和时均流场结构相似;叶栅通道内无量纲涡脱落频率是前者的两倍。与文献计算结果对比表明:叶片表面压力分布除分离区外吻合很好;非定常计算所得分离区轴向长度比定常计算大41%。在分离区内三个二阶统计量均达到最大值,表明流场强非定常性集中在分离区。     

扩压叶栅叶尖非定常流动的涡动力学机理

为了揭示压气机叶尖区旋涡结构与流动非定常性之间的关联，采用URANS对一亚声速平面扩压叶栅在不同攻角下的流场进行了求解，并借助Q判据提取了叶尖瞬态涡系结构。结果表明：泄漏涡的破碎现象能够通过诱导新的涡结构间接作用于相邻通道的叶尖流动，是导致叶尖流场失稳的关键因素。在-0.3°和+0.7°攻角下，叶尖泄漏涡发生了螺旋破碎，并伴随有非定常诱导涡的出现，诱导涡对相邻叶片载荷的影响使得叶尖泄漏涡发生周期性摆动；在+1.7°攻角下，泄漏涡破碎会导致反流涡的形成，反流涡的输运会给叶片载荷和来流攻角带来非定常扰动，反过来又会作用于泄漏涡的破碎和反流涡的生成，最终表现为一种自维持的非定常流动现象。     

轴流压气机转子近失速工况点叶尖区流动非定常性分析

为了揭示某轴流压气机转子近失速工况点叶尖区域流场的非定常变化及其形成机理,采用定常和非定常数值模拟方法对其内部流场进行了全三维的数值模拟。通过和已有的试验测量结果进行对比分析表明,预测的总性能及基元性能与试验结果取得了很好的一致性。近失速工况点的非定常模拟结果表明,压气机的总性能及叶片承受的扭矩出现了周期性的波动,其波动周期约为转子通过频率的2.5倍。进一步详细分析叶尖区流场的瞬态流动结构发现,间隙泄漏涡在近失速工况下出现了泡式破碎,破碎的泄漏涡、主流以及来自相邻叶片的间隙泄漏流相互作用形成了另外一个特征明显的旋涡(命名为叶尖二次涡)。该旋涡的形成、发展和运动是压气机的总性能出现周期性波动的主要原因。     

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。     

单级跨音压气机整圈三维动静叶干涉的数值模拟

本文使用商业软件FLUENT,对某单级跨音压气机的整圈三维非定常动静叶干涉流场进行了数值模拟,计算并比较了拉开动静叶轴向间隙和正常轴向间隙情况下的不同流动状况。非定常整圈三维计算的结果模拟了清晰的动静叶干涉图像,并显示了静叶三个连续通道出口流量的周期性变化和滞后现象,表明可以利用成熟的CFD商业软件研究叶轮机械内部的复杂物理现象。     

非定常动静叶干涉作用的二维数值模拟

采用涡方法研究叶轮机内动、静叶间的相互作用,它利用全三维的、通道时间平均的定常解为基础解,并由此给出非定常扰动场的初始解。为计算叶片对扰动场的响应过程,采用拉格朗日方法追踪扰动涡团的对流流动过程,用确定性涡方法来描述流体的粘性扩散过程。用该方法对某型压气机的一级（动、静叶栅距比为１．７４）的动、静叶相互作用,进行了二维有粘问题的数值模拟。数值结果表明,该方法具有较好的收敛性和收敛速度;转子出口的尾迹和各种旋涡等非定常因素在静叶通道中的切割、迁移过程,非定常性对静叶攻角的影响以及脉动压力的振幅衰减特性也在文中作了分析。     

不同轴向间距下涡轮级内非定常流场的数值研究

针对不同轴向间距下涡轮级内非定常流动进行了数值研究.讨论了非定常条件下轴向间距变化对非定常性及流场分布的影响,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,轴向间距L对转子内流动的非定常性有着强烈的影响.随着轴向间距的减小,静叶尾迹的强度及影响范围增加,静叶尾迹对动叶的周期性非定常影响还是主要出现在前缘附近.由于静叶尾迹的恢复效应与来流尾迹强度成正比,50%轴向间距下动叶出口流场的湍动能在动叶通道中央区域最小.      

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.      

低速轴流压气机中前后静叶对动叶顶部区域流动的影响

数值研究了某二级低速轴流压气机在高负荷工况下,动叶前后动静干涉对动叶顶部区域非定常流动的影响。结果显示一次泄漏涡和二次泄漏涡是动叶顶部的主要流动特征。下游静叶干涉增加了动叶顶部间隙流的非定常波动强度和泄漏损失。上游静叶干涉减少了动叶顶部二次泄漏流强度。同无动静干涉相比,同时存在上下游动静干涉使动叶顶部区域总压损失减少9.1%,其收益主要来自上游静叶的非定常干涉。