叶轮机非定常气动设计的缘线匹配(Ⅰ)理论与实施方法

针对缘线匹配展开理论与实施方法探讨，分析了缘线匹配潜在效益，并给出缘线匹配的两种实施方法：基于非定常流动束缚于拟流回转面假设的基元流动展向积分方法和全优化方法。分析指出：缘线匹配具有通过沿展高调协叶轮机相邻叶排非定常流动相位关系实现气动、气弹、气动噪声和热传导性能全方位、多目标优化潜力，为叶轮机非定常设计提供了新的设计自由度。     

叶轮机非定常气动设计的缘线匹配(II)数值研究

缘线匹配通过考虑多叶排叶轮机相邻叶排间前排叶片尾缘线与后排叶片前缘线空间相对位置匹配关系来进一步提升叶轮机性能,有潜力使叶轮机非定常设计走向工程实际。以一单级跨声轴流压气机和一单级轴流透平为例,尝试用基元流动展向积分方法和全优化方法改善其性能,从而示例应用缘线匹配的具体方法及前景。结果表明,缘线匹配为叶轮机非定常设计提供了可操作的自由度。     

叶轮机非定常气动设计的缘线匹配(Ⅱ)数值研究

缘线匹配通过考虑多叶排叶轮机相邻叶排间前排叶片尾缘线与后排叶片前缘线空间相对位置匹配关系来进一步提升叶轮机性能，有潜力使叶轮机非定常设计走向工程实际。以一单级跨声轴流压气机和一单级轴流透平为例，尝试用基元流动展向积分方法和全优化方法改善其性能，从而示例应用缘线匹配的具体方法及前景。结果表明，缘线匹配为叶轮机非定常设计提供了可操作的自由度。     

叶轮机非定常气动设计的缘线匹配技术

本文提出一种新的叶轮机气动设计自由度——缘线匹配技术。缘线匹配是指相邻两叶排中前排叶片后缘线与后排叶片前缘线的空间关系,更准确地说是其相位角关系。叶片尾缘线表征了叶片出口气流的分布型,它囊括了尾迹、激波、二次流等所有影响,另一方面,叶片前缘线代表了其对上游流场的势干扰。定常气动设计体系只能部分考虑叶片缘线的相互影响,大部分则被忽略了,然而在非定常框架下,相邻叶排缘线所代表的相互影响是显著的。本文首次提出了叶轮机非定常设计的缘线匹配技术,并通过理论分析及直列涡轮叶栅的非定常数值模拟结果展示了缘线匹配技术在未来提高叶轮机气动性能、气弹性能、气动噪声和热传导性能上的潜在能力。作者认为,缘线匹配技术将使叶轮机的非定常气动设计具有真实而可操作的内容,是叶轮机非定常气动设计的核心技术之一。      

考虑压气机动静干涉效应的非设计工况性能数值模拟

1引言非定常流动是叶轮机械内部固有的本质属性,而现有的设计体系中不论是在设计或分析时基本上采用定常流动的假设,从而忽略了非定常流动对叶轮机械在气动、结构强度等方面的影响。目前,国内外对非定常流动的研究比较多,但其中采用非定常流动数值模拟方法预估压气机非设计工况     

基于复合弯掠技术的轴流风机叶轮优化

基于叶轮机械全三维优化设计平台NUMECA/Design 3D,采用人工神经网络和遗传算法相结合的方法,通过复合弯掠技术对一低压轴流风机叶轮空间弯掠积叠线进行三维优化设计。优化目标为在设计工况点保持风机流量不变,尽可能提高气动效率和全压升。结果表明:复合弯掠优化使叶轮设计工况点的效率和全压升分别提升约1.92%和3.98%。复合弯掠优化使叶片负荷重新分布,改善了叶顶和叶根区域的流动,同时抑制了叶轮近吸力面叶根角区的流动分离和减小了叶顶泄漏涡的强度和影响范围,降低了流动损失,提高了叶轮气动性能。     

轴流式叶轮机时序效应的机理探讨

对近年来关于轴流式叶轮机时序效应的一系列研究工作进行了分析整理。国外的实验表明:在涡轮中比在压气机中所获性能收益更为显著;对于压气机,在高速情况下比在低速情况下所获性能收益更为显著。本文对这种现象作了解释,并指出,时序效应产生的机理可以用非定常流动的相互干扰来解释,尤其重要的是,时序效应机理为我们利用非定常流动提供了一个切入点,促使人们在叶轮机气动设计体系中考虑流动的非定常性。另外在现有认识基础上,文中给出了一个利用时序效应的初步工程模型。      

一种基于CFD的叶轮机非定常气动力组合建模方法

为了获得一个准确高效的非定常空气动力学模型并将其应用于叶轮机叶片颤振特性分析中去,论文发展了一种基于CFD方法的叶轮机非定常气动力组合建模方法,可以快速计算叶轮机叶片在等相角差振动时的气动阻尼系数。运用小扰动流场的叠加原理,通过不同通道数模型的非定常流场求解(通常需要两次或三次),针对流场的周期性边界条件,组合分析得到一系列更多通道数情况下的非定常气动力低阶模型。基于这种降阶模型计算的气动阻尼系数与直接的CFD方法计算结果吻合很好,计算效率提高10倍以上。     

对圆柱和二维扩压叶栅在平面叶栅风洞中旋涡脱落的试验研究

随着叶轮机设计技术的发展，对流动非定常的了解显得越来越急迫。而在叶轮机的流动中，尾流是导致流动非定常的一个重要因素，因此对尾流流动特性的研究就显得很有必要。本文在不同的平面叶栅风洞中对圆柱及二维扩压叶栅进行了吹风实验，利用传声器、热线热膜以及动态压力传感器等动态测试仪器，对圆柱和二维扩压叶栅后旋涡脱落情况进行了试验研究。实验结果显示，在平面叶栅风洞内的圆柱体尾流中有类似在外流中的卡门涡街脱落现象．但所对应的斯特劳哈数比外流稍小。更重要的是，还首次得到了二维扩压叶栅后明显的旋涡脱落特征频率，证实了在二维扩压叶栅非定常流动中也伴随着有规律的旋涡脱落。这些结果将为利用外流的成果和更全面地考虑叶轮机的气动设计提供很重要的参考作用。     

对旋风机对旋叶轮级间流场的实验研究

采用实验方法对对旋风机对旋叶轮级间流场进行了研究。在改变级间间隙和前后级转速的情况下,采用五孔探针对级间压力场和速度场进行了了测量,并对结果进行了分析。研究表明:前后级动叶加功量的分配在对旋风机的气动设计中占有很重要的地位,这种分配可以通过转速的匹配来实现;在气动设计中,应增加对旋叶轮级间间隙的控制设计。      

对转压气机叶排交界面参数传递的数值研究

针对超常规叶轮机械——对转压气机采用5种定常叶排交界面方法,结合实验值对比分析了对转压气机整机性能、近设计工况以及近失速工况流场,以定量研究不同交界面方法应用于叶排交界面的参数传递效果.结果表明:①不同交界面方法计算的整机效率性能差异明显,而压比性能与实验值吻合较好.②近设计工况下,周向守恒法在不同交界面的参数传递连续性相对较好,当地守恒法和完全非匹配混合界面法对下游界面参数的控制作用逐渐增强,一维无反射边界条件和完全非匹配冻结转子法则正好相反.③近失速工况下,一维无反射边界条件和完全非匹配冻结转子法对应的叶片前缘高熵损失区范围明显增大,叶顶主流和间隙溢流交界面扭曲成更靠近上游叶排交界面的弧形.      

叶轮机叶片的三维造型及其对叶片气动负荷的影响

研究叶轮机叶片的弯扭及掠形等因素对叶片气动负荷分布的影响。给出了一个针对叶轮机内部流动的一般的掠角定义。基于线化的小扰动理论,用解析方法对叶片三维造型各因素的位势影响进行了分析,并用三维粘性数值模拟进行了验证和分析。分析结果表明,叶轮机叶片的弯扭和前缘掠形对叶片的负荷分布有重要的调节作用。合理利用三维造型的负荷调整功能可有效地调整负荷沿展向和弦向的分布,为叶型设计提供新的自由度。      

弯扭掠三维叶片综合流型与流场结构优化的设计思想及应用—弯扭掠叶片设计体系与设计思想研究之二

重点研究了弯扭掠三维叶片的设计思想与应用,讨论了弯、扭、掠之间和弯、扭、掠与回转面之间互相匹配的原则。透平级的气动设计是多参数、多流型的综合优化的过程,在三维叶片设计中,必须认真研究弯。扭、掠、转与回转面之间的关系,认真研究流场结构的优化。讨论了l/b比较小的跨声速高压燃气涡轮静叶采用弯掠的匹配的规律,并介绍了扭掠叶片的设计体系与设计思想的应用。     

Fourier methods for turbomachinery applications

Rapid increase in computing power has made a huge difference in scales and complexities of the problems in turbomachinery that we can tackle by use of computational fluid dynamics (CFD). It is recognised, however, that there is always a need for developing efficient methods for applications to blade designs. In a design cycle, a large number of flow solutions are sought to interact iteratively or concurrently with various options, opportunities and constraints from other disciplines. This basic requirement for fast prediction methods in a multi-disciplinary design environment remains unchanged, regardless of computer speed. And it must be recognised that the multi-disciplinary nature of blading design increasingly influences outcomes of advanced gas turbine and aeroengine developments. Recently there has been considerable progress in the Fourier harmonic modelling method development for turbomachinery applications. The main driver is to develop efficient and accurate computational methodologies and working methods for prediction and analysis of unsteady effects on aerothermal performance (loading and efficiency) and aeroelasticity (blade vibration due to flutter and forced response) in turbomachinery. In this article, the developments and applications of this type of methods in the past 20 years or so are reviewed. The basic modelling assumptions and various forms of implementations for the temporal Fourier modelling approach are presented and discussed. Computational examples for realistic turbomachinery configurations/flow conditions are given to illustrate the validity and effectiveness of the approach. Although the major development has been in the temporal Fourier harmonic modelling, some recent progress in use of the spatial Fourier modelling is also described with demonstration examples.     

流体拓扑优化方法及其在叶轮机械中的应用

相比于结构拓扑优化,流体拓扑优化的发展较为滞后。为了促进流体拓扑优化在叶轮机械领域的应用,根据公开资料中的研究成果,首先介绍了该方法的理论基础,包括优化问题数学模型、流动控制方程及求解方法、灵敏度分析技术、优化不稳定问题的预防措施及几何重构方法。然后总结归纳了流体拓扑优化在叶轮机械气动热力学领域的研究现状,通过对涡轮叶片内部冷却结构、涡轮叶片叶顶结构以及离心压气机弯道设计的描述,指出该方法的技术优势。研究表明,相比于传统形状和尺寸优化方法,拓扑优化具有更高的设计自由度,且突破了结构参数化的限制,有助于挖掘具有优良性能的新型结构。最后,对流体拓扑优化方法在未来叶轮机械设计中的发展进行了展望。     

利用Bezier样条曲线进行叶轮机可视化设计

叶轮机的叶型设计最终将决定叶轮机的性能,进行可视化的叶型设计,有利于有针对性地直接实施叶型局部优化,提高优化效率。本文基于Bezier理论,利用OpenGL作为图形图像的开发工具,开发了一套对叶轮机二维叶型进行可视化设计的软件,经优化设计前后的数值模拟比较,修型后的叶栅总压损失系数明显下降。表明该软件可以直观有效地应用于叶轮机设计。      

基于优化技术的叶型反方法改进设计

在势流函数反方法设计叶型的过程中,通过分析叶片表面速度分布对叶型形状的影响规律,发现采用局部区域速度分布调整,可有效的克服以往反方法设计叶型中易出现的非物理解现象,并针对叶型前缘和尾缘的几何封闭问题分别建立了优化目标函数,借助流场求解中的优化迭代技术获得了具有良好气动性能并满足几何约束的叶型设计结果。对典型叶型的三个设计算例表明:所研究的叶型反问题优化设计方法,具有设计精度较高,适用范围较宽,工程应用性较好等优点。      

叶轮机械叶片弯掠气动技术研究进展

叶片弯掠技术在叶轮机械设计中的应用,使叶片通道流场的稳定性得到了明显改善,叶轮机械的工作效率得到了显著提升,越来越引起研究者的重视。结合近年来在叶片弯掠气动技术领域开展的研究,详细综述了国内外叶片弯掠技术在叶轮机械设计中的研究进展。首先,回顾了叶片弯掠气动技术的发展历程,将叶轮机械叶片的设计分为3个阶段,分别是直叶片、扭叶片和以弯扭掠为主要特征的空间叶片,并指出以弯扭掠为主要特征的第3代叶片虽然已经得到应用,但仍有很多问题还没有完全解决。然后,分析现有研究中对叶片弯掠的定义,指出其本质均是在直叶片的基础上,通过移动叶型积叠点的位置使叶片产生弯曲或扫掠的效果,进而拓展叶片的设计空间。其次,综述了叶片弯掠对流场的影响,并归纳总结其作用机理是通过改变叶片对气流的作用力在径向的分量,实现叶片载荷和流量沿叶展的再分配,进而控制低能流体微团的输运,减小二次流损失。最后,对叶片弯掠气动技术在今后的发展方向进行了展望。该研究为叶轮机械叶片弯掠气动技术的进一步研究提供参考。