轴流压气机非定常数值模拟方法精度分析

以Stage-35单级轴流压气机为研究对象，分别用相位延迟法、叶片约化法及非线性谐波法对其进行非定常数值模拟，并与实验及半环精确非定常模拟进行对比，以分析各非定常模拟方法的计算精度。结果表明:3种非定常计算方法在对流场时均参数的预测上均能达到半环精确非定常模拟相同的精度，但几何改变使叶片约化法得到的频谱特征尤其是基频谐波幅值产生较大变化；相位延迟法虽能较准确预估基频谐波幅值，但在其余谐波处则精度通常低于叶片约化法；非线性谐波法在计算参数的非定常时域及频域特征时精度比相位延迟法和叶片约化法低。      

非线性谐波法的进一步校验分析

基于定常Denton程序发展了二维定常、非定常、非线性谐波法计算程序,以二维跨声压气机叶栅为例,通过详细对比其定常、非定常和非线性谐波法的计算结果,包括确定应力场和叶片表面速度分布等,验证了非线性谐波法具有建模精度较高的优点的同时,也分析了该方法的不足,包括一些难以克服的主要误差来源,以及计算时间较长等弱点;并指出了掺混面处理对于非线性谐波法的重要性.      

基于非线性谐波法的跨声速压气机确定应力建模

基于三维定常Denton程序发展了非定常、非线性谐波法计算程序,以三维单级、多级跨声速压气机计算为例,通过详细对比非定常和非线性谐波法得到的确定应力(DS)场,验证了非线性谐波法具有建模精度较高的优点的同时,也分析了影响建模精度的5个误差来源.结果表明:非线性谐波法进行确定应力建模时随着谐波阶次的增多,确定应力的数值趋于一极限值,表现出"谐波收敛性";在算例中考虑前两阶谐波是效益-费用比较高的方案.     

跨声风扇周向畸变流动的谐波平衡法计算

研究了采用"相位延迟"边界条件的谐波平衡法用于周向进气畸变计算的可行性及其计算效率,考虑了进气总压畸变形式为正弦波和方波的两种情况。对于正弦波形式的进气总压畸变采用较少阶数的谐波计算就可得到和双时间推进法相近的计算结果,计算速度最大可以提高48倍。对于方波形式的进气畸变,则需要采用更多阶数的谐波计算才能还原得到较准确的非定常流场,计算速度提高了7倍。算例表明,谐波平衡法可以有效的应用于跨声风扇周向进气畸变的非定常计算中,同时大幅提高计算速度。     

用于压气机流动计算的3种模型比较

为了更好地对压气机流动进行模拟，在课题组自行开发的结构化有限体积解算器上实现了用于压气机流场计算的混合平面法、谐波平衡法及相滞后法.以NASA Stage 35为例，对3种方法的计算结果进行了比较分析.结果表明:相滞后法的计算精度最高，混合平面法的计算精度最低；相滞后法与半环的双时间推进法结果相近，计算速度提高了20倍；相比混合平面法，谐波平衡法能准确地模拟动静叶间的非定常干涉及进出口参数变化；在谐波阶数达到5阶后，谐波平衡法计算得到的结果不随阶数变化，且与相滞后法的结果基本吻合；混合平面法的计算效率远高于另外两种方法，相滞后法与谐波平衡法在谐波阶数为5阶时的计算效率相当.      

单级轴流压气机确定应力场计算精度分析

为分析各非定常模拟方法对于确定应力场的计算精度以便为确定应力的建模与校准提供指导,以Stage35单级轴流压气机为研究对象,分别用相位延迟法、叶片约化法及非线性谐波法对其进行了非定常数值模拟,并将得到的确定应力分布与半环常规非定常模拟进行对比。结果表明:非线性谐波法对于确定应力的预测值通常偏大,而相位延迟法及叶片约化法均能较准确地捕获流场确定应力分布,但对于确定应力的周向变化,三种方法的预测精度均不高;谐波阶数的增加有助于提高非线性谐波法对于流场频谱特征的计算精度,并且使确定应力有增大趋势,但对时均参数的预测精度影响很小。     

用于多级压气机非定常流动的谐波平衡方法研究

为了在保证计算精度的同时,进一步提高压气机流动非定常模拟的计算效率,在课题组自行开发的结构化有限体积解算器上实现了谐波平衡法。以1-1/2级轴流压气机为研究对象,采用谐波平衡法和相滞后法对其非定常流场进行了数值模拟,并采用谐波平衡法对该压气机的时序效应进行了初步研究。计算表明,随着谐波阶数的增加,谐波平衡法的计算结果逐渐接近于相滞后法的计算结果;在谐波阶数达到5阶以后,谐波平衡法的计算结果不再随谐波阶数的增加而变化,且与相滞后法的计算结果匹配;谐波平衡法在保证与相滞后法相同的计算精度的情况下,计算效率相比相滞后法高了近3倍;5阶谐波平衡法即可很好地模拟入口导叶-静叶时序效应。算例表明,谐波平衡法相比相滞后法具有更多的选择空间和更高的计算效率。     

谐波平衡法在非定常流场中的应用

谐波平衡法（HBM）适用于模拟周期性非定常流场。求解这类问题时,只需要一个周期中几个等距时刻的流场解,即可重建整个周期流动的时间历程,计算效率较高;同时还采用谱算子精确求解流场变量对物理时间的导数项,保障了算法的计算精度。鉴于此,详细介绍了谐波平衡法的原理和实现过程,并给出了如何在现有计算程序下实现谐波平衡法的流程。取跨声速翼型和超声速钝锥两个周期性强迫俯仰振荡绕流为例,以双时间步方法为参考,对谐波平衡法的效率和精度作了详细的考核和分析。计算结果表明,谐波平衡法的内存消耗较大,谐波数N_H=2时约为双时间步方法的4倍,但谐波平衡法取得与双时间步方法相近结果的计算时间仅为后者的1/5。因此,谐波平衡法是一种有应用前景的工程实用方法。对于长周期问题,谐波平衡法的优势更加明显。     

叶顶间隙对多级轴流涡轮气动特性影响的非定常数值计算

涡轮叶顶间隙对其气动特性产生非常明显的影响,为了研究叶顶间隙对涡轮效率以及叶片温度场分布的非定常影响,采用非线性谐波法对多级亚声速轴流涡轮进行了非定常数值计算,与实验结果进行对比后发现,对于本文研究对象,4阶次谐波是考虑计算成本与计算精度的优化值;R1叶顶间隙由0.5%叶高增大至1.5%叶高,涡轮效率降低了0.44%,R4叶顶间隙由0.5%叶高增大至1.5%叶高,涡轮效率降低了0.76%;叶片高温主要集中在近叶顶区域,尾缘温度梯度变化最为剧烈;叶栅级间干涉效应导致高温区温度的周期性波动,温度波动幅值不受叶顶间隙高度的影响但波动区间随间隙增大而升高,静叶相对动叶温度波动幅值较大,S2温度波动保持在11K左右。     

非线性谐波法在对转压气机中的校检分析

以双级对转压气机为研究对象,对新型非定常模拟方法——非线性谐波(NLH)法进行了不同阶数下的校检,并与常规非定常模拟方法在宏观性能指标和微观流场结构上进行对比,分析了对转压气机转子独特的动-动干涉现象.研究结果表明:非线性谐波方法可在时均框架内有效计及非定常现象,对于该对转压气机,3阶谐波已能在计算成本和计算精度间获得最佳折衷,具备良好的工程应用前景.