扇翼流动机理数值模拟研究

以扇翼的气动特性(高升力)为关注焦点,对扇翼流动的流场结构细节进行了数值模拟研究。对有推力二维Lockheed C-141超临界翼型进行数值模拟,验证和确认了扇翼流场的数值模拟方法,并数值模拟了扇翼旋转时的流场结构。结果表明,其高升力来源于固定翼部分上表面高速流动的射流,而这种射流正是由叶片旋转带动扇翼内部流体不断加速喷射得到的。扇翼内部的流动是复杂的非定常流动,存在多种尺度的旋涡、湍流边界层及二者的相互干扰等,使气动力高频振荡,进而可以预测相当的气动噪声是不可避免的。将算法应用于扇翼飞行器的外形设计优化阶段,得到了若干构型的气动性能,为下一步开展的无人机研制工作提供了指导。     

叶片压力面到吸力面射流对其气动特性的影响

提出了从叶片压力面到吸力面开孔射流延缓吸力面尾缘气流分离的思想,建立了考虑射流影响的叶片三维流场数值计算方法。以NASA67风扇叶片为原型进行开孔设计,通过数值模拟分析了开孔射流对该风扇叶片的流动特性、性能和稳定性的影响,初步研究表明经开孔射流处理能有效改善叶片吸力面尾缘的流动特性,从而提高压气机性能和稳定工作范围。     

基于气体射流的气液两相流动减阻特性

为了明确射流表面减阻特性,基于气液两相流动原理,建立具有射流功能的气液两相流动减阻计算模型,采用数值计算方法,通过RNG k-ε湍流模型对射流表面不同射流方向角、以及不同气体射流速度情况下的流场进行数值模拟及实验验证,分析气体射流对壁面黏性阻力、减阻率及流场的影响,研究气体射流的气液两相的减阻特性。结果表明:气体射流表面能够减小壁面黏性阻力,具有较好的减阻效果;四种射流方向角下,射流表面减阻率均在气体射流速度为5m/s时达到极大值,并且当射流方向角在xoz平面为-30°时,减阻率最大,为7.18%;数值模拟的减阻率效果略高于实验结果;气体射流的气液两相流动对壁面边界层进行了有效控制,减小了壁面的黏性剪应力和雷诺应力,导致壁面的黏性阻力减小,使得射流表面具有减阻性能。     

涡轮叶片前缘气膜冷却数值模拟

对具有双排气膜孔的涡轮叶片前缘进行了气膜冷却数值模拟,在吹风比M为0.5,1.0的情况下得到了相邻两排孔的流场和气膜冷却效率的分布规律,并将计算结果与实验进行了对比分析.结果表明:①在不同的吹风比下,两排孔的冷气射流运动非常复杂,冷却效率沿流向的分布都是非线性的;在M为1.0时,25°的小角度喷射气膜冷却效果较好.②利用两层k-ε湍流模型比传统的k-ε湍流模型数值预测的精确度高,可较好地模拟叶片前缘的气膜冷却特性.      

旋转对涡轮叶片异型孔气膜冷却的影响

为了揭示异型气膜孔在旋转状态下的冷却特性,采用数值模拟的方法分析了吹风比为0.6时旋转对涡轮叶片异型气膜孔流动及冷却的影响,包括三种气膜孔:圆孔、扇形孔及收敛缝型孔。结果表明:旋转时气膜射流受离心力和哥氏力作用朝叶尖方向偏转,射流涡结构被弱化而变得不明显,气膜射流向主流的穿透得到一定程度的削弱;圆孔和扇形孔冷却效率随旋转雷诺数增大而升高,局部最多可分别提高100%和50%左右,收敛缝型孔冷却效率受旋转雷诺数的影响较小;旋转状态下扇形孔冷却效果与收敛缝型孔相当,仍然优于圆孔。     

涡轮叶尖间隙泄漏流动主动控制数值模拟

结合基于压力修正的雷诺应力湍流模型加壁面函数的三维计算流体力学程序,对某一轴流涡轮转子采用叶尖间隙射流主动控制对泄漏流场的影响进行了数值模拟.结果表明:在涡轮叶尖表面选择合适射流孔位置进行射流可以提高涡轮转子效率,其中大间隙下通过射流孔组合射流可以提高涡轮效率0.35%,小间隙下可以提高0.3%;在射流孔区域靠近叶片表面处流场结构中鞍点数和结点数相等,满足奇点总数规律.      

旋转对内冷通道气膜孔流量系数的影响

为了获得涡轮叶片旋转时对气膜孔流量系数的影响,采用非结构化网格及标准k-ε紊流模型,求解三维N-S方程,对带90°肋和气膜孔出流的旋转矩形通道内的三维流场进行了数值模拟,气动参数变化范围是:通道入口雷诺数Re=60000,150000,罗斯贝数Ro=0,0.11,0.22,气膜孔总出流比为0.22和0.09。Ro≠0时,旋转效应对气膜孔流量系数有明显影响,通道顺时针旋转时,科氏力由上壁面指向带气膜孔的下壁面,引起流量系数增加;通道逆时针旋转时,情况相反。计算结果还表明,在通道内同一径向位置处的两个气膜孔的流量系数是不同的,通道顺时针旋转时,进入左侧孔的流体和气膜孔轴线的夹角小于进入右侧孔的流体和气膜孔轴线的夹角,导致左侧孔的流量系数大于右侧孔的流量系数;通道逆时针旋转时,情况相反。Ro=0时的计算结果与实验数据符合很好。     

大型风力机三维空气动力学数值模拟

采用数值模拟的方法,对三种风力机叶片的空气动力学性能进行研究.计算得到了旋转功率随着来流速度的变化曲线,并将所得结果与基于动量叶素理论的工程设计方法结果、风洞实验结果和风场实测结果进行对比.计算结果体现了CFD方法解决这种问题的有效性.所用的数值模拟方法可以广泛地应用到风力机设计和气动性能评价中,所得结果可作为叶片动态特性及气弹稳定性分析的载荷而被应用于风力机性能和可靠性的评估当中.     

气膜孔孔形对涡轮冷却流场影响的数值研究

基于有限体积法对三维定常N-S方程进行离散,采用k-ε两方程湍流模型,数值研究了气膜孔几何形状对涡轮叶片气膜冷却效果的影响,得到了气膜孔附近的流场分布。所选孔形为圆柱孔和后倾扇形孔。结果表明后倾扇形孔减小射流动量比,减弱射流穿透主流的能力,并产生了一定的展向速度,可使射流冷气能够较好地贴附在壁面上起到保护作用。具有后倾扇形孔的涡轮叶栅沿叶高方向和流线方向体现出了比圆柱形冷却孔更好的冷却效果。     

涡轮叶尖泄漏流主动控制数值模拟研究(英文)

在涡轮设计中一直追求减小损失、提高效率,流动控制作为一种减小损失的一种有效手段,在涡轮叶尖泄漏流动方面引起广泛的关注,因此本文对在涡轮叶尖表面进行主动射流对叶尖泄漏流动的影响作了数值模拟。结合基于密度修正的采用雷诺应力湍流模型加壁面函数的三维计算流体力学程序,详细分析不同叶尖间隙高度下射流孔位置和射流流量改变对间隙泄漏流场的影响,并相应地阐述射流主动控制的机理,分析了主动射流条件下叶尖间隙流动的拓扑结构,最后计算考虑射流影响的涡轮转子效率。结果表明:在涡轮叶尖表面选择合适射流孔位置进行射流可以提高涡轮转子效率,其中大间隙下通过射流孔组合射流可以提高涡轮效率0.35%,小间隙下可以提高0.30;在射流孔区域靠近叶片表面处流场结构中鞍点数和结点数相等,若不考虑周围流场的拓扑结构,则射流孔附近的流场满足奇点分布规律。     

叶尖射流对风力机叶尖流场影响的数值研究

为了设计出更加适合非并网系统的风力机,采用在叶尖加入射流的方法来改变叶尖流场分布.在风力机叶片顶端沿弦长布置3个喷口,采用CFD数值模拟方法,通过改变风力机转速获得原型和带喷口的风力机模型的气动特性以及流场分布.发现在转速低于1 200r/min时,带有安装在不同位置的喷口的风力机功率增长率几乎都为零,射流在这一转速范围内对风力机的气动性能几乎没有影响.而转速高于1 200r/min时,随着转速的增大,喷口位于叶尖中部的风力机的功率增长率快速地增大,射流影响了75%以上叶高的表面的压力分布,在大转速下吸力面低压区范围较大,其叶尖涡涡量低于其他方案中,并且在下游扩散得比其他方案快,改善了风力机下游流场,提高了风力机效率.喷口布置在叶尖前缘时其叶尖涡的局部涡量较原型叶片稍大,降低了风力机功率的输出.喷口布置在叶尖尾缘时基本和原型叶片相同.该结论为设计适用于非并网系统的定桨距变转速风力机提供了基础.     

小型垂直轴风力机叶片结冰风洞试验与数值计算

利用风洞试验和数值模拟相结合的手段,研究了小型垂直轴风力机叶片在旋转状态下的结冰特性以及结冰后翼型与风力机的气动特性变化,以期为建立较复杂的大型水平轴风力机叶片旋转试验系统和研究其结冰机理、防除冰技术提供参考。试验在东北农业大学自行设计的利用自然低温的结冰风洞中进行,获得了采用NACA0018翼型的小型2叶片垂直轴风力机风轮在5种尖速比下的结冰分布：风力机叶片结冰遍布叶片整个表面,随着尖速比的增大,结冰形状出现不对称性。同时,数值模拟结果表明：叶片结冰后,随着尖速比的增加和结冰量的增多,升力系数降低阻力系数增大的趋势明显,风力机的功率系数也随之下降。分析发现,叶片结冰导致不同旋转角下叶片翼型周围的压力场和速度场发生了不同程度的变化,从而气动特性发生变化,影响了风力机性能。     

风力机组叶片的先进翼型族设计

大型风力机组叶片设计需要专用的翼型族,以满足风力机组运行的环境要求。高升阻比、低粗糙度影响是该翼型族的气动性能特点。为了发展我国具有自主知识产权的风力机专用翼型族,在科技部863项目的支持下,北京航空航天大学联合国内气动研究单位,通过理论分析、数值模拟和风洞试验等技术途径,开发了两个适用于大型风力机组叶片的先进翼型族。理论分析和风洞试验表明,设计结果基本达到了预先设定的气动性能指标。     

汽轮机静叶栅变冲角性能的实验研究

为了研究亚临界600MW汽轮机高压第九级静叶叶栅的变冲角气动特性,为高压静叶叶片设计提供依据,对原型和改型两套环形叶栅在低速风洞中进行了不同冲角工况下的吹风实验研究。实验结果表明：改型叶栅降低了叶栅的流动损失,具有更好的变冲角特性。     

10MW风电机组空气动力设计初探

从风电机组系统角度探索了我国未来设计10MW风电机组在空气动力设计方面的一些问题及对策。从分析风能分布与风速分布关系以及风电机组风能利用系数随风速变化关系出发,研究了风轮基本参数确定方法,并以动量叶素理论为基础,建立了优化设计模型对10MW叶片外形优化设计进行了初步探索,并对风轮性能进行了评估,完成了10MW机组叶片及风轮外形建模。提出了通过适当提高叶尖线速度及拓宽风轮转速范围,可以达到优化机组塔头质量,节约成本,提高年发电量等多重有利目标的观点。     

基于面元-黏性涡粒子混合法的风力机风轮气动计算

为了快速准确地预估大型风力机风轮的气动性能,建立了一种基于面元-黏性涡粒子混合(HPVP)法的风力机风轮气动性能计算方法,自主编制了相应的计算程序.以model experiments in controlled conditions(MEXICO)风轮为算例,将计算结果与实验数据、CFD方法进行了比较.结果表明:HPVP法可准确计算主要工作区的叶片压力分布.相比于CFD方法,在流动分离较小时,HPVP法可以快速获得与CFD方法精度相当的结果,但计算时间仅需要CFD方法的千分之一.除能够给出叶片压力分布外,HPVP法还能给出风力机风轮流场的其他流动细节.      

4级空气冷却透平气动性能三维数值研究

对某型燃气轮机带空气冷却的4级透平进行了详细的三维数值研究,并将其结果与一维计算结果进行了对比。重点考虑了如何引入进入4级透平中的各种类型冷气的方法,包括构造叶片和端壁面气膜冷却结构、构造叶片尾缘冷气喷射缝以及在叶片排交界面前后端壁面增加冷气质量源等。计算结果显示：4级透平出口总参数与基于试验数据的一维计算结果吻合较好,说明该方法准确可行;此外,在得到多级空气冷却透平三维流场特性的同时,也可以得到绝热壁条件下的气膜冷却壁面温度场特性。     

大型风力机气动弹性响应计算研究

发展了一套快速预测风力机动态响应的分析方法.针对南京航空航天大学设计的兆瓦级大型风力机叶片NH1500,按照工程梁方法对叶片及塔架结构进行简化,生成有限元梁模型.根据动量叶素理论编写气动力程序,为有限元模型提供气动载荷,从而完成时域情况下风力机的响应计算.最后,分析了叶片的几何非线性效应对响应的影响规律.     

高升力下二维构型阻力准确测量研究

翼型风洞试验阻力测量常使用尾迹流场测量积分求取阻力的方法,但各积分公式均建立在一定的假设基础上,有一定适用范围。在多段翼型流场N-S方程数值模拟和风洞试验的基础上,研究高升力情况下低速风洞阻力精确测量技术。通过N-S方程数值模拟求解多段翼型绕流场,分析尾迹流场的特点和常规风洞试验阻力计算公式推导时所作假设,提出新的更为准确的型阻计算公式;利用多段翼型绕流的数值模拟结果,积分表面压力和摩擦力求得翼型的气动特性,并利用计算得到的尾迹流场信息按照常规和新提出的风洞试验型阻计算公式计算阻力,将三者进行比较,检验提出的新型阻计算公式的准确性;通过风洞试验检验数值模拟得到的流场特点和新型阻计算公式。研究表明：在高升力条件下,传统型阻计算公式有很大的局限性,必须进行改进;提出的考虑尾迹区流动特点的新型阻计算公式能够得到更准确的阻力值。