用平均N-S方程轴流压气机级通流数值计算

近代叶轮机准三元方法中子午流计算一直采用管流或通流的无粘流模型。发现多级轴流压气机后面级气流展向掺混重要现象之后,多级轴流压气机子午流场的计算在无粘流的基础上加上了二次流展向掺混的影响,它对多级轴流压气机特别是高压核心机后面短叶片级设计是很重要的。近年来,已经有成效地直接用N-S方程求解叶轮机中的流动问题[1、2](大多是叶栅流动问题),其重要目标似乎是较准确模拟叶轮机级中粘性流动和计算的工程设计应用。为此,我们提出用平均N-S方程和常用的紊流零方程或两方程模型来模拟叶轮机级与多级中通流的粘性流动,给风扇级和压气机级与多级准三元设计方法提供一个考虑粘性影响的通流计算工具,并提出了端壁条件一种有效的处理方法。      

处理机匣对高压压气机性能和稳定性影响的数值模拟和试验研究

本文主要采用数值模拟和试验验证的方法探索轴向斜槽处理机匣改善高压压气机尖部流动情况及扩大压气机稳定工作边界的基本原理。采用Numeca CFD软件对某多级高压压气机第一级叶尖间隙流场和具有轴向斜槽处理结构的流场进行非定常计算．并对计算结果进行对比、分析,详细揭示了叶栅顶部间隙区及处理槽内的流动特征。数值计算结果显示,轴向斜槽处理机匣能够衰减或是消除叶尖的泄漏涡,推迟失速的发生。处理机匣对压气机性能的影响并不是直接采用对泄漏涡的干涉,而是通过叶尖附近气流在高压作用下从压力面尾缘进入斜槽,而后气流在叶背前缘以高速由斜槽射入主流。该高速射流能有效地扫除叶尖易失速的附面层,从而延迟气流分离,扩大压气机的失速裕度并减少二次流损失。试验结果显示,该多级压气机采用轴向斜槽处理机匣有效地减少了尖部气流泄漏,扩大了压气机稳定工作范围。     

轴流压气机静子容腔对性能影响的全三维数值模拟

鉴于轴流压气机静子根部容腔对压气机性能影响显著,本文利用CFD数值模拟手段,以某小流量多级轴流压气机第一级为研究对象,详细分析了该压气机第一级带静子容腔与不带静子容腔模型中的三维流动情况。结果显示,静子容腔叶根间隙泄漏流会造成静子叶根附近的流动发生明显变化,效率下降,级稳定工作范围变窄。     

压气机二维可压缩气动稳定性分析模型

基于压缩系统气动稳定性理论模型对压气机内部流动可压缩性以及叶排之间相互影响的需要,以Moore-Greitzer模型为基础,发展了一个用于分析多级轴流压气机动态失速特性的多"激盘"二维可压缩模型.该模型采用二维非定常的可压缩Euler方程描述压气机上、下游管道以及各叶排之间轴向间隙内的流动,而采用"激盘"分别取代压气机的各个叶片排.利用该模型,系统地计算和分析了多级轴流压气机中二维小尺度旋转失速的起始特性和动-静叶之间的相互影响,以及总压畸变旋转频率对下游压气机稳定性的影响.计算结果与实验数据的比较表明该模型及其计算结果是可靠的.      

多级轴流风扇/压气机非设计点性能计算方法

为更好反映现代轴流风扇内部流动特征,将适合于高马赫数来流的双激波模型引入基元叶栅法,发展了一种多级轴流风扇、压气机非设计点性能计算方法。该方法通过引入雷诺数修正,考虑了雷诺数对风扇/压气机性能的影响,并使最大静压升系数法可在宽广雷诺数变化范围内预测风扇/压气机稳定边界。该方法灵活、可靠,并经过高压压气机、跨声速风扇及大涵道比风扇/增压级等典型的压气机试验结果验证,既可用于多级轴流风扇/压气机非设计点性能计算,又可发展成为高空低雷诺数条件下高性能风扇/压气机设计和研究的重要工具,有着广泛的工程应用前景。     

周向稳态总压畸变在多级轴流压气机中传递的逐级模拟研究

基于多级轴流压气机的逐级特性,建立了进口周向稳态总压畸变在多级轴流压气机中传递的逐级计算模型.对总压畸变条件下转子叶片攻角变化、级间周向流动和压气机出口耦合效应进行了数值分析,讨论了周向稳态总压畸变沿轴向衰减、级间周向侧流变化、失稳首发级和压气机出口耦合效应对压气机特性的影响.应用本模型方法对8级轴流压气机进行了详细的数值分析,计算结果表明,该模型方法是合理、可行的.      

积垢对压气机流场影响的数值分析

以某型轴流压气机为研究对象,对不同积垢程度的压气机流场进行了三维的CFD数值计算,对比分析积垢造成压气机性能损失的机理。结果表明：积垢对压气机流场的影响主要是导致叶片吸力面中部压力梯度比较大的区域附面层提前转捩,扩大尾迹区的低速回流区,增加叶栅的流动损失。     

基于时间推进的轴流压气机气动性能计算模型

基于时间推进方法,通过求解周向平均带体积力源项的流动控制方程,融合发展较为完善的落后角及损失模型,考虑径向掺混影响,同时引入Koch稳定边界模型,建立了一个轴流压气机性能预测计算模型。利用该模型对两台四级低速轴流压气机及两台单级跨声速压气机展开计算,得到了相应的特性曲线,并将计算值与相关实验数据进行对比分析。结果表明,该模型能可靠预测轴流压气机总体特性,可为多级压气机特性分析提供有效的技术支撑。     

多级轴流压气机静叶转角优化计算

本文介绍了一种用于多级轴流压气机性能优化调整试验最佳静叶转角计算的方法,此方法采用一个二次泰勒级数展开式作为近似优化性能模型,利用压气机性能模型确定压气机调整试验的初始静叶转角,应用数值优化计算技术确定压气机静叶转角调整的逼近方向和步长。具有收敛速度快、迭代次数少和适于处理试验数据带有测量误差的问题等优点。与目前的压气机性能调整试验方法相比,此方法可缩短压气机性能调整试验周期。      

单级跨音速压气机三维非定常粘性流动计算

本文以数值求解雷诺平均非定常N-S方程方法完成了单级跨音速压气机动静叶相干三维非定常粘性流动计算,给出了高分辨率NND格式的时间推进有限差分解。对某跨音速单级压气机进行了定常和非定常流的详细数值计算,设计转速下定常粘性流场计算所得到的性能参数与实验结果吻合较好。在此基础上,对最高效率状态进行了动/静叶相互干扰的非定常流动计算,并对结果进行了分析。      

多级轴流压气机静子叶片转角优化计算

本文介绍了一种有于多级轴流压气机性能优化调整试验最佳静叶转角计算的方法。此方法采用一个二次泰勒级数展开式作为近似优化性能模型，利用压气机性能计算方法确定压气机静叶转角调整试验的初始静叶转角，应用数值优化计算技术确定压气机静叶转角调整的逼近方向和步长。具有收敛速度快，迭代次数少和适于处理试验数据带有测量误差的问题等优点。与目前的压气机性能调整试验技术相比，这种试验研究与计算技术相结合的方法可使压气机试验次数和测量点数减少60％左右，缩矩压气机性能调整试验周期。最后本文给出了二个优化目标不同的静叶转角优化算例，以验证本计算方法的可行性。     

某型7级轴流压气机中间级三维气动数值优化

针对多级压气机三维气动数值优化中存在的级间匹配与计算成本难以兼顾的问题,采用了只对待优化级进行单级三维数值求解,而在边界条件中考虑级环境影响的优化策略,对某型7级高负荷轴流压气机存在叶背分离的第4级静子进行了数值优化.在有限的计算时间内,多级压气机绝热效率相比原始设计提高了近0.8%,压比增加了近4%,压气机的整体性能得到提高.应用表明:该优化策略较好地平衡了级间匹配与计算成本的矛盾.      

多级压气机非定常流动的数值模拟

进行了多级压气机动静叶片排干扰的三维非定常无粘流动数值模拟研究，采用高分辨率格式求解非定常Euler方程组。对某以级压气机的非定常无粘流场的计算结果表明，即使在不考虑粘性影响的情况下，压气机动静叶排干扰的非定常效应仍然是比较显著的，各叶片排所受到的非定常影响是不相同的，计算得到的叶片表面压力周期性波动的结果可为叶片强度计算提供较为准确的数据。     

一种多级轴流压气机特性预测的工程方法

基于多级轴流压气机部件设计点气动参数与相应几何尺寸,发展了一种计算发动机高、低压压气机部件特性近似方法,完成了相应的计算程序编制,并将其应用于三个多级轴流压气机部件特性预测.计算结果与实验数据比较表明,该方法作为一种近似方法具有可接受的工程精度,尤其适合于预测发动机压气机部件小转速特性,为涡扇/涡喷发动机起动过程分析与计算提供模型基础.      

三级轴流压气机变工况条件下导叶/静叶和转速联动的调节规律

运用三维粘性流体分析技术,通过改变导叶和静叶角度的方式,对压气机在设计转速和非设计工况下的流动损失和失速裕度进行了分析,目的是研究在导叶和多级静叶安装角匹配时,压气机效率和稳定变化的趋势和特征,结果表明:导叶/静叶联调与压气机转速的变化有一定的对应关系,这一规律的探索,为实际运行的自适应调节方案设计提供了基本准则.      

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.      

均匀与非均匀进气条件下多级轴流压气机性能计算—均匀进气及径向畸变的影响

本文重点介绍采用基元叶栅法并用完全径向平衡方程描述压气机子午面内流动的计算多级轴流压气机非设计点性能以及径向畸变影响的模型。该模型考虑了变比热的影响, 并根据计算求得的基准总压损失和非基准总压损失之和确定压气机的滞止绝热效率。所用数据适用于扩散因子大于 0小于1, 而马赫数在0到1 .6之间的情况。压气机的加功量或增压比由其基元叶栅的落后角确定。该模型允许指定每一叶排的进口流量, 亦即允许在两叶排之间有流量旁路。本文还着重分析了RB-199高压压气机的特性, 预测结果与实验数据吻合很好。      

组合压气机中尾迹与势流同频/异频干涉的叠加特性

为揭示多级压气机中上下游叶轮对中间叶片叠加气动影响特性,阐述不同叠加干涉情况下下游叶轮进气角度变化,采用数值方法模拟了一级轴流和一级离心组成的组合压气机非定常流场.详细讨论了上游动叶尾迹和下游动叶势流对中间导流叶栅段气流非定常流动的异频和同频叠加干涉特性,依据计算结果,直观地展示了静叶通道中两种干涉间相互激励和抑制作用的位置和时间,与数学公式的推导结果相互印证.研究结果表明:当上下游动叶对中间静叶段异频干涉时,干涉的激励、抑制区域的轴向位置随时间发生变化;当上下游动叶对中间静叶干涉频率相同时,干涉的相互激励、抑制区域的轴向位置不随时间发生变化,但干涉的激励、抑制区域的轴向位置受时序位置影响.另外,上游动叶尾迹与下游离心叶轮势流的不同叠加情况,决定着下游离心叶轮进口相对气流角的大小及波动幅值.     

吸附式低反动度轴流压气机气动设计方法在多级轴流压气机中的应用

随着对吸附式低反动度轴流压气机内部流动细节的逐步深入,进一步完善了多级吸附式低反动度轴流压气机气动设计思想,完成了3级吸附式低反动度轴流压气机气动设计.三维黏性的数值计算结果表明:在第1级动叶入口叶尖切线速度为370m/s的前提下,通过只在首级静叶和末级静叶中进行附面层抽吸,实现了总压比为6.1的3级吸附式低反动度轴流压气机气动设计.附面层总抽吸流量占入口流量的11.3%.在不考虑附面层抽吸对流动效率影响的前提下,3级效率达到88.1%.      

多级轴流压气机二维性能预测方法

为了满足多级轴流压气机性能预估需求,在一个流线曲率程序基础上开展了经验、半经验关系式研究。通过对文献中的损失模型进行校验及融合,建立了相匹配的损失计算模块,并改进了端壁损失计算方法;研究了利用S₁流面计算修正S₂正问题的方法,解决了基于传统平面叶栅试验数据的攻角、落后角模型与先进技术叶型之间不匹配的问题,继而发展出了一个高精度的S₂正问题计算方法。为了验证计算方法,利用3个不同负荷水平的、经试验验证的多级压气机进行了校验计算。对比表明,发展的程序对多级压气机具有很高的计算精度和稳定性,可用于多级轴流压气机性能分析。