声学风洞风扇段流场特性数值模拟

风扇段是声学风洞的核心部段之一,风扇气动性能和声学性能对风洞的能耗与试验段背景噪声有重要影响。为了获得静叶构型的优化设计参数,采用数值模拟方法,对0.55m×0.4m低湍流度航空声学风洞风扇段的流场特性进行了研究,根据叶片的流动现象,分析了风扇段内部的工作形态,并将其性能与试验数据进行了对比,结果证明该方法能对风扇段性能进行较为准确的模拟。采用该方法得到了动静叶间距、静叶后掠、静叶倾斜对风扇气动性能、流场形态和噪声的影响,静叶后掠对气动性能的影响较小,有助于减小出口的旋转速度,增大动静叶间距对气动性能的影响较大,会增大出口的旋转速度,而静叶倾斜是最适宜的降噪方式。     

弯叶片对畸变条件下风扇性能影响研究

以跨声速风扇为研究对象,采用全周三维非定常数值模拟方法研究静叶根部20°正弯对总压畸变条件下风扇性能和流场结构的影响.通过对设计转速下风扇全工况进行求解,对比分析了静叶采用直叶片和弯叶片时设计点和近失速点的风扇性能和流场结构.通过与均匀进口条件的风扇性能对比,探讨弯叶片对风扇效率、稳定边界以及抗畸变能力的影响,重点研究弯叶片对动静叶流动损失的影响以及对级性能的影响和改善机理.研究表明,均匀进口时,根部20°正弯静叶可以改善风扇在近失速点附近的性能,而在设计点附近,弯叶片的作用不明显;进口总压畸变条件下,静叶根弯20°能有效改善风扇性能,提高稳定性;静叶根弯对流场的影响取决于具体的流场结构,流动状态越恶劣,弯叶片的作用越明显.     

总压畸变对风扇流场影响的全流道数值研究

采用全流道非定常数值模拟方法对进口稳态总压畸变条件下跨声速风扇流场进行求解.详细分析了总压畸变造成风扇性能下降的原因.分析表明,周向不均匀流场使得动静叶进口气流角变得不均匀,从而使进口攻角发生很大变化;动叶在不同周向和径向位置流动状况完全不同;畸变区内静叶根部至中径附近存在大范围的分离区.      

倾斜/后掠叶片对风扇单音噪声的控制研究

为探索倾斜/后掠静子叶片对风扇单音噪声的降噪机理并指导低噪声风扇的设计,采用基于三维黏性非定常雷诺平均数值模拟(URANS)和管道声类比理论(Ducted Acoustic Analogy,DAA)的流场/声场混合计算模型(CFD/AA)研究了不同转子叶尖间隙、倾斜静子、后掠静子等对NPU-Fan单音噪声的影响。计算结果表明:随着叶尖间隙增加,在1BPF (Blade Passing Frequency)和2BPF处,风扇前传、后传气动噪声均会增加,且1BPF处单音噪声增量大于其它谐频。在研究倾斜及后掠叶片的降噪机制时,须将管道特征函数与声源的耦合过程包含在内,并且要考虑真实风扇的尾迹特性及其向下游的输运过程。风扇静子负倾斜可以提升风扇的气动效率,但会增加噪声的声功率级;正倾斜叶片能够降低噪声声功率级,但风扇气动性能会有所降低。随着倾斜角的增加,降噪量增大,当倾斜角为+30°时,各谐波阶次的降噪量均超过2.3dB。后掠静子叶片相较于倾斜设计具有更好的气动性能和降噪效果。30°后掠角对于各谐波阶次的前传噪声降噪量均大于6.3dB,降低后传噪声超过10dB。正倾斜及后掠静子的降噪效果与噪声谐波阶次、传播方向紧密相关,谐波阶次越高,降噪效果越明显。倾斜-后掠综合设计方案对于前传噪声拥有最好的降噪效果,其综合了倾斜和后掠两者的优点。     

叶片弯掠对多级风扇气动性能的影响

利用数值模拟的方法,研究了多级环境中叶片弯掠对风扇整体气动性能的影响。研究过程将弯、掠叶片分别应用于某三级风扇的第二、三级静叶,以对比性能变化并研究其内在的流场作用机制。结果表明,多级环境中弯掠叶片排可通过改变沿径向密流分布对其它叶排施加影响;弯和掠都能借助低能流体迁移控制端壁流动,但掠叶片同时具有对主流的迁移作用,这就使得掠叶片对沿径向密流分布的影响要大于弯叶片;随转速下降,弯叶片的流体迁移作用被增强,掠则相反。此外发现,在多级环境中单独使用时可获得性能改善的弯掠叶片,组合应用后并未获得双重的性能收益。     

大折转角弯曲静叶在高负荷压气机改型设计中的应用

采用适合高亚声速气流进口的弯曲静叶对某型高负荷风扇级进行改型设计,使用单列大折转角弯曲静叶代替原型级中的串列静叶。采用叶片三维成型技术设计弯曲静叶,引入叶片局部修型措施控制改善栅内流动和动静叶间的匹配,通过数值模拟三维流场得到原型级和改型级的不同转速特性线上各工况点的气动性能。研究结果表明,三维成型设计的高负荷弯曲静叶能够优化压气机的结构,满足高负荷压气机不同转速工作点高性能的要求,同时具有优良的变工况性能,是研发高性能压气机部件可采取的措施之一。     

叶片弯掠对压气机静子叶片气动性能影响的三维数值模拟

运用NUMECA对某内外涵组合压气机进行数值模拟,为了减小内涵静子表面流动分离,提高其气动性能,在对其设计改型过程中,先后采用了直叶片、根部后掠和根部后掠尖部前掠三种叶型,数值模拟结果表明,弯掠叶型能减弱根尖部低能流体的堆积,抑制端壁角区的气流分离,使根尖部流动得到改善,从而提高其整体性能.此外,还考察了稠度对叶栅气动性能的影响,结果表明,合理的稠度选择,可以改善叶栅的流场结构,降低叶栅二次流损失.      

叶片弯掠对压气机静子叶片气动性能影响的三维数值模拟分析

运用Numeca 对某内外涵组合压气机进行数值模拟,为了减小内涵静子表面流动分离,提高其气动性能,在对其设计改型过程中,先后采用了直叶片、根部后掠和根部后掠尖部前掠三种叶型,数值模拟结果表明,弯掠叶型能减弱根尖部低能流体的堆积,抑制端壁角区的气流分离,使根尖部流动得到改善,从而提高其整体性能。此外,还考察了稠度对叶栅气动性能的影响,结果表明,合理的稠度选择, 可以改善叶栅的流场结构,降低叶栅二次流损失。     

某小型风扇内进口总压畸变引起流动损失分析

采用数值模拟方法对方波形式的进口总压畸变对风扇流场的影响进行了全三维非定常数值模拟.详细分析了畸变造成的动静叶栅流道内部流动损失的形式和原因.分析表明, 动静叶流道内的损失在畸变和非畸变区域向下游疏运的方式不同.在动叶根部和中径区域流动损失的主要形式是疏运损失和掺混损失.畸变会使多种损失相叠加.在静叶中, 畸变会在中径以下区域造成大范围的漩涡, 造成回流, 从而使损失增加.      

跨声压气机动叶弯、掠对静叶静压脉动的影响

对一单级跨声压气机采用了三种弯、掠动叶后设计工况下的非定常流场分别进行了数值模拟,分析了动叶弯、掠对下游静叶表面静压非定常脉动的影响.研究结果表明:三种弯、掠动叶都减轻了静叶前缘顶部和根部的静压脉动,使静叶前缘所受到的静压扰动沿径向分布更为均匀,尤其是弯掠动叶的作用最为明显;除去叶片前缘区域,三种弯、掠动叶对下游静叶的顶部压力面和吸力面的扰动都有所减弱,仍然以弯掠动叶的作用最为显著,而在静叶的中部和根部前缘区域之外的表面,动叶的弯、掠对压力扰动的影响不明显.      

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。     

跨声速风扇的弯、掠三维设计研究

以某小型跨声速单级轴流风扇为平台,采用数值模拟的方法,研究并探讨了弯、掠三维设计技术对具有较高负荷的跨声速轴流压气机性能改善所起到的作用和抑制流动损失增加的机理.分别探讨了在动叶上半叶高和静叶端区采用不同的弯、掠形式对风扇设计点以及等转速线上的小流量工况性能的影响.研究结果表明:动叶上半叶高采用反弯设计能够有效改变动叶端区压力梯度,减少泄漏流在出口压力面侧的堆积,增加动叶顶部的通流能力.静叶端区采用前缘反弯和尾缘正弯的复合弯、扭技术,同时实现了端区增容和控制二次流发展的目的,随着流量的减小,弯、扭设计静叶更好地控制住了端区二次流的恶化,端区损失增长明显较直叶片缓慢,风扇的稳定工作范围得到提高.      

离心压气机进口导叶尾迹的形态、输运及与叶轮流场的相互影响

采用数值模拟方法研究了跨声速离心压气机进口导叶与叶轮的静/动叶排相互影响作用,研究包括三种几何间距模型及对同一间距模型使用了两种不同的转静子交界面位置设定.计算结果表明:交界面位置的设定对混合平面法定常计算性能会产生较大影响,对非定常性能影响很小;叶排间距大小对级性能影响几乎可以忽略,但间距减小会造成流场内压力波动增大;叶轮激波使叶轮对导叶流场的影响几倍甚至十几倍大于导叶对叶轮流场的影响,且激波的影响作用使导叶压力面、吸力面侧压力波动由不同的原因造成.      

跨声速压气机中动叶弯和掠对尾迹输运的影响

对一单级跨声速压气机设计工况下采用了3种弯、掠动叶后的非定常流场进行了数值模拟,分析了动叶弯、掠对动叶尾迹的非定常脉动强度以及向下游输运特性的影响.研究结果表明:与原型动叶相比,3种弯、掠动叶都减弱了动叶出口的泄漏涡和尾迹顶部脉动核心的脉动强度,使其在向下游输运过程中耗散较快;3种弯、掠动叶尾迹的中间段的脉动强度都有所加强,并且在输运过程中有向根部迁移的趋势,从而会使静叶的中部和根部受到较强的扰动.      

掠叶片对涡轮叶栅气动性能的影响

本文采用某后部加载叶型沿不同的轴向弯曲积叠线生成了前掠10°,20°和后掠10°,20°掠叶片以及直叶片,并对这五种涡轮静叶栅内的三维粘性流场进行了数值模拟。结果表明,后掠叶片在叶栅流道后部形成了C型压力分布,在此压力梯度作用下,端壁低能流体被吸到主流中,被主流带走,削弱了低能流体在端部的堆积,减小了流动损失。     

稳态周向总压畸变对小型风扇影响的全周数值模拟

采用全周非定常数值模拟的方法，求解两种畸变角时，进口周向总压畸变对某型风扇流场的影响，并详细分析了总压畸变沿风扇的传递情况。计算和分析结果表明，该方法可以清晰描述流场参数沿周向分布情况；总压畸变会引起总温畸变，并且进口畸变强度相同时，畸变角度及动静叶间的相互作用对畸变传递有较大影响。     

采用高负荷弯曲静叶的压气机改型研究

采用适合高亚音速气流进口的大折转角弯曲静叶对某型高负荷风扇级进行改型设计,使用单列弯曲静叶代替原型级中的串列静叶。采用三维成型技术设计弯曲静叶,引入叶片局部修型措施控制和改善栅内流动,通过数值模拟三维流场得到原型级和改型级的设计转速特性线和设计点的气动性能。研究结果表明:采用三维成型的高负荷弯曲静叶在优化压气机结构的同时也提高了压气机的气动性能,将是研发高性能压气机可采取的重要措施之一。      

某汽轮机弯曲叶片级的改型计算及流动分析

在四种不同弯曲静叶方案下利用CFD流场计算软件NUMECA对某汽轮机弯曲叶片级的内部三维流场进行了数值模拟。根据数值研究结果分析了不同弯静叶方案下级内流动特性、气流参数的变化,给出了四种静叶方案的级效率。研究表明本文采用的弯导叶方案没有提高级效率。本文最后分析了叶片弯曲对静叶栅内马蹄涡位置与流动结构的影响。      

超声速串列静叶积叠优化分析

在进口超声速、气流转折角大的高负荷条件下,静叶通道中激波强度高,激波、附面层干扰引起的损失大,且静叶中三维流动引起的径向载荷分布不均匀,易产生角区分离。叶片积叠优化是提高风扇性能的一项有效技术。采用数值模拟的方式研究了不同积叠形式对优化串列静叶沿展向激波结构,改善叶排间流动匹配的作用。三维流动对比分析可以得出:高负荷串列静叶采用正弓形积叠,叶片展向载荷分布合理,静叶端壁角区分离损失减小,前后叶片排流动匹配较好,风扇性能进一步提高。     

基于URANS/TPP模型的风扇转静干涉单音噪声预测

为了解决风扇噪声三维高精度评估问题，基于非定常雷诺平均数值模拟（Unsteady Reynolds Average Numerical Simulation, URANS）模型和三平面压力（Triple Plane Pressure, TPP）模态匹配模型，发展了风扇转静干涉单音噪声数值预测方法。分析了URANS模型管道内单音计算的可行性，并建立了误差控制准则。在此基础上，采用URANS模型获得风扇非定常流场，同时基于TPP方法进行声源提取，得到管道内单音噪声的模态特性。基于国产某型大涵道比缩尺风扇试验数据，对模型准确性进行对比验证。结果表明，该模型能够进行转静干涉噪声的可靠预测。此外，进行了基于弯掠静子的低噪声叶片设计，并采用提出的数值模型分析了三维流场/声场，探究了基于叶型设计的转静干涉声源抑制机理，实现了对风扇低噪声设计的支撑。