多级轴流压气机湍流和二次流径向掺混的简单统一模型及其应用

本文构造出一套新的统一表示湍流和二次流径向掺混作用的多级轴流压气机子午通流流场的模型方程组。除了掺混系数外,新的方程组没有其它的未知关联项,使得含径向掺混的多级轴流压气机子午通流的计算简单得多,相应计算机程序的计算时间只是无粘计算机时的约1.5倍。新方程组的数值结果与试验结果以及与则Gallimore掺混理论结果比较,表明新方程组的合理性和优越性。新方程组有严格的理论基础,不仅能用于亚音压气机,还可能用于跨音和超音压气机。      

多级轴流压气机的径向掺混

 随着压气机向着更高的级负荷和更低的展弦比方向发展,径向掺混问题在气动分析和气动设计中越来越重要,当前对决定径向掺混的主要因素众说不一。本文用严格的理论,得到了用统一形式表示含二次流和湍流在内的各个径向掺混因素的多级轴流压气机通流基本方程组,并讨论了二维通流流场湍流掺混与实际流场三维剪切结构的关系。基本方程组的数值结果与试验结果以及其它掺混理论结果比较表呀,该方程组能够满意地模拟多级轴流压气机中的径向掺混特性。     

风扇与轴流离心压气机一体化通流设计方法

在叶轮机设计的流线曲率法反问题中,统一了基于圆柱坐标系下流面角γ,λ的和流线准法线上流面角的两种叶片力分解方法,得到了适合于轴流、斜流和离心压气机的动量主控方程.提出一种双涵道叶轮机的一体化通流反问题方法,采用分流机匣变位或者涵道比变化这两种自动调整措施.将流线曲率法应用于双涵道叶轮机加以组合压气机的一体化通流设计.设计了某双涵道、双转子、轴流离心组合的压缩系统,用计算流体动力学(CFD)方法检验了可行性和适应性.讨论了轴向速度比的物理意义及在通道自动调整的轴流级通流设计中的应用,给出相应设计算例.      

考虑端区黏性和径向掺混的流线曲率通流算法研究

高负荷多级压气机的技术难点之一在于如何快速、完整、准确地获得全工况下叶片前尾缘气动参数分布和整机特性结果,而通流计算凭借速度快、指向性明确的优点,一直是多级压气机设计的核心技术。为了提高通流代码的适用范围和预测精度,推导了统一适用于轴流、斜流、离心压气机的流线曲率方程,引入端区黏性和径向掺混模型,应用Fortran语言针对轴流压气机全新开发了其通流特性计算程序,对NASA Rotor37、Rotor67转叶和GY1-2J压气机进行了计算,计算结果表明:新模型的加入提高了程序的计算精度,初步验证了程序的有效性。并提出提高程序的通用性是今后通流计算的发展方向。     

跨声速轴流压气机特性全三维粘性流动分析

应用Steger-Ｗarming通量分裂技术,将守恒型方程中的流通向量分裂成两部分,应用 NND格式对无粘项进行数值离散,粘性项采用中心差分格式,采用LU-SGS隐式推进迭代建立了跨声速轴流压气机性能及内流场三维N-S方程的高分辨率和高效率的数值方法。数值模拟给出NASA ROTOR37和NASA ROTOR67性能及内流场流动结构。并进一步基于混合平面法建立了多级轴流压气机性能计算模型,详细分析了某一级跨声速轴流压气机性能和内流特性,计算与实验结果比较表明了本模型与方法是可行的和可靠的。     

考虑径向掺混的轴流压气机通流彻体力模型计算及验证

为研究考虑径向掺混对通流计算结果的影响,在通流彻体力模型中引入径向掺混项,并以某型低速轴流压气机为算例开展了有无径向掺混对通流计算结果的影响分析。结果表明:在落后角和损失系数相同时,径向掺混模型的加入使叶排出口气流参数沿径向的分布更加均匀;模型对于压气机后面级端壁区流动参数展向分布的预估更加准确。通过与该台压气机试验测量数据的对比,验证了本模型的可靠性。     

跨音速轴流压气机动叶弯曲的数值优化

采用优化软件ISIGHT作为平台,集成了三维粘性流计算软件NUMECA和轴流压气机叶片造型程序,建立了一套叶轮机械气动性能优化系统。针对跨音速轴流压气机动叶和静叶的周向弯曲进行了优化。结果在整条特性线上,该级压气机的效率和压比都得到了不同程度的提高,充分验证了该叶轮机械气动性能优化系统的可靠性。同时表明转子的尖部反弯可以有效地减小叶尖间隙的横向流动。     

基于0D/2D耦合的涡扇发动机总体性能计算研究

针对双轴混合排气涡扇发动机,首先利用T-MATS平台搭建其核心机、混合器以及喷管的0D模型;然后采用Denton叶轮机设计方法,基于S1流面初步设计低压压气机和低压涡轮叶片,进而建立0D/2D耦合的仿真模型;最后将T-MATS的0D计算和基于周向平均N-S方程的通流计算耦合,进行涡扇发动机整机性能数值仿真。结果表明,由于求解过程考虑了粘性效应以及流动损失对总体性能的影响,该方法可提高涡扇发动机总体性能预估的精度,具有工程应用价值。     

轴流压气机子午流面计算中三维剪切作用的湍流模型

本文发展了一个轴流压气机子午流面二维计算中模拟三维剪切结构对子午流场作用的湍流模型。试验与这一模型进行了初步的比较。模型表明,在多级轴流压气机子午流场计算中,必须计入实际流场三维剪切结构对子午流场的湍流扩散作用。     

跨声速轴流压气机叶片周向弯曲的数值优化

采用优化软件ISIGHT作为平台,集成了三维粘性流计算软件NUMECA和轴流压气机叶片造型程序,建立了一套叶轮机械气动性能优化系统.针对跨声速轴流压气机动叶和静叶的周向弯曲进行了优化.结果在整条特性线上,该级压气机的效率和压比都得到了不同程度的提高,充分验证了该叶轮机械气动性能优化系统的可靠性.同时表明转子的尖部反弯可以有效地减小叶尖间隙的横向流动.      

多级轴流压气机展向掺混的数值模拟

在紊流扩散模型的基础上, 通过引入二次流造成的气流过转折/欠转折影响, 完成了S₂流面的展向掺混数值模拟。分别用Galimore-Cumpsty掺混模型或Baldwin-Lomax紊流模型计及紊流扩散的作用;落后角的预估在二维Carter公式基础上引入了Roberts二次流修正模型。应用上述方法对两台3级轴流压气机进行了计算。计算的出口总温、总压等参数与实验较吻合, 与其他单独考虑紊流扩散和二次流效应的掺混计算结果比较表明了本文方法的有效性。      

用N-S方程计算三维叶栅流

发展了基于微元中心有限体积方法,采用雷诺平均N-S方程求解三维叶栅流动的程序,特别注意了格式中人工粘性的加法;程序采用Baldwin-Lomax模型。格式经过平板层流及湍流流动的校验,层流与Blasius解、湍流与实验经验公式及Wilcox的计算值符合很好,最后以Goldman涡轮导向器为例进行了叶栅流动计算校核,结果符合于实验以及Chima等人的计算。      

大钝头短体跨音速大迎角不同流型的计算比较

 采用不同流型 (无粘,层流,湍流 )的数值模拟方法计算了绕大钝头短体外形的跨音速大迎角时的流态,并进行了比较分析。数值方法中选用 van Leer分裂格式离散无粘通量项,并构造了一种 Limiter函数以保证 TVD性质;采用中心差分格式来离散粘性通量项。湍流计算中采用了 B-L湍流模型。算例表明不同流型的流态共同特点是三维分离的非定常性,但不同流型计算所得流态的差异较大。     

一种考虑级间引气的压气机通流设计方法

为了探索考虑引气影响的压气机设计方法,提出了一种基于周向槽引气的引气模型,通过将引气区域的机匣端壁无滑移边界条件替换为端壁法向引气速度代表的引气边界条件,把引气的影响计入压气机通流设计.一台两级压气机的无引气和引气通流设计以及三维数值模拟流场的对比研究表明,该引气模型和考虑引气的通流设计方法能够有效的将引气设计参数及其影响反映在通流流场结果中.此外,该引气模型和设计方法还能够准确反映引气流动随引气区域当地气动参数的变化.      

喷管化学反应流的对角化点隐式法求解

采用弱耦合对角化点隐式方法的ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ格式,求解喷管的粘性化学反应流动,解决了控制方程组的刚性问题,又大大减少了常规点隐式方法中求逆矩阵的大量工作。对液氢液氧火箭发动机,采用６种组分、８个反应有限速率的化学反应模型和Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ代数湍流模型,得到流场参数在喷管中的分布。计算结果表明,采用对角化点隐式方法求解化学反应喷管粘性流动能提高计算效率。     

掠叶片进口流场中周向不均匀性的影响

为模化并分析迎角改变时掠叶栅流场中周向不均匀性的影响,将1种应力输运模型整合到通流模型中,并应用于某掠叶栅的计算。通过给定掠叶栅不同来流迎角开展3D数值模拟和通流计算,结果表明:主要由无黏叶片力所诱发的周向不均匀性会重新组织叶片通道的进口流场,改变进口气流角,从而引发掠叶栅进口径向平衡的重新分布,随着迎角的提高,这种周向不均匀性将加强,其对进口流动的影响也会进一步增大。加入该应力输运模型后,通流模型能够很好地预测周向脉动源项,在前缘前其计算值与3D计算结果的偏差在20%以内,对叶片通道进口气流角改变量的预测精度提高了25%以上,对进口流动径向平衡的描述精度提高了60%以上。     

跨音速单转子压气机三维湍流流场的数值计算

用有限体积表示的三维雷诺平均N-S方程显式格式的时间推进法, 对一个单转子压气机的三维湍流流场进行了计算。方法中应用了Baldwin-Lomax湍流模型。这个单转子压气机是第39届国际燃气轮机会议作为考核三维流场数值方法的盲题。计算结果与实验实测的结果进行了比较, 证明本文提出的方法可以用来验证叶轮机械气动设计。      

基于雷诺平均Navier-Stokes方程的表面传热系数计算

采用有限体积法数值求解控制二维绕流的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程组,计算了光滑和粗糙NACA0012翼型以及圆柱表面的局部表面传热系数.分析了近壁面网格间距、湍流模式和表面粗糙度模型对数值计算结果的影响.结果表明:切应力输运(SST)湍流模型能够区分层流和湍流边界层的对流传热特性,并能预测转捩的发生;采用Spalart-Allmaras(S-A) 扩展模型能够计算粗糙壁面的对流传热系数,但采用忽略转捩函数的S-A模型不能有效计算层流边界层的传热系数.当近壁面网格间距接近10-5量级的黏性子层时,在光滑和粗糙壁面都能得到准确的传热系数分布.结合合适的近壁面网格间距,湍流模式和表面粗糙度模型可以得到与实验数据十分接近的表面传热系数曲线.通过与求解不可压缩RANS方程得到的结果比较后发现,不可压缩RANS方程主要忽略了压缩和黏性耗散效应,这种效应可以通过绝热升温项的形式并入总体热分析.      

跨声速翼型绕流计算边界层反方法的研究

本文用有限差分方法,通过有粘/无粘迭代计算了二元翼型的跨声速绕流问题。在边界层粘性区域内考虑了层流、转捩及湍流流动,当边界层内出现分离时,使用边界层反方法,采用代数湍流模型。算例表明,对激波/边界层弱干扰和强干扰情况,该方法的结果与风洞实验结果吻合良好,对于求解边界层小分离流场是一种好的近似方法。