三维直叶栅非定常流动的并行计算研究

流动分离直接关系到压气机运行的安全性与效率,对分离流动的研究是叶轮机械真实流动研究中的一个重大课题。本文针对三维压气机单转子叶片中截面所构成的三维直叶栅跨音速分离流开发了通用数值计算程序,该程序基于B-L湍流模型及高精度差分方法。多种工况的数值计算显示本程序结果与实验值吻合比较理想,验证了程序的正确性。10°攻角下分离区脉动压力的频谱与实验结果的数量级吻合,说明本程序能够较好地模拟大攻角分离流这种非定常复杂流动。为了提高计算规模及计算速度,作者对程序进行了并行化并针对微机机群系统进行了并行优化。实际计算表明本程序具有较高的并行效率。      

离心式压气机模型级内非定常流动的数值试验

应用同位网格下的压力校正算法和滑移网格技术 ,在贴体曲线坐标系下 ,对离心式压气机模型级内部由于叶轮与叶片扩压器相互作用引起的三维非定常湍流流场进行了数值模拟。计算结果表明 ,在设计工况下 ,由于叶轮与叶片扩压器的相互作用引起的非定常干涉流动 ,对整级内部流动有非定常影响。速度场的非定常特性主要表现在叶轮与叶片扩压器间的径向间隙范围内和扩压器的入口处 ,在叶轮和扩压器叶道内部衰减很快。而压力脉动同时向流道的上下游传播 ,在叶轮和扩压器内部流动仍具有显著的压力非定常脉动。计算结果还模拟了扩压器入口处运动涡系与扩压器叶片的相互作用及其周期性衍灭过程     

压气机数字孪生模型中的仿真技术探索

仿真技术是构建压气机数字孪生体的一种重要手段。为了满足数字孪生过程中准确性和实时性要求，给出了压气机数 字孪生模型中的数值模型完备性分析，探索了一种将高性能计算与全环非定常模拟相结合的压气机孪生仿真技术。采用数值完 备性定义某S弯进气道中涵道风扇的数字孪生体，从边界条件完备性与几何模型完备性方面分析了不同数值模型对涵道风扇数 值孪生结果的影响；再结合现代高性能计算技术提出了一种压气机数字孪生过程中的高效计算技术，并针对某15级压气机开展 了多级全环非定常模拟仿真计算。结果表明：满足压气机数值模型完备性要求是实现压气机数字孪生体准确性的前提，同时采用 2层次计算模型的高效计算技术是获得压气机孪生模型的一种有效手段。     

离心叶轮和扩压器相互作用

采用定常和非定常数值模拟技术,研究了某跨声离心压气机级内的复杂流动,分析了叶轮与径向扩压器之间的非定常相互作用.结果表明,扩压器的势干扰使叶轮出口静压发生周期性地变化,引起叶轮后部负荷、叶尖泄漏和损失等也产生周期性地变化,影响范围达30%流向弦长.叶轮出口流场的周向不均匀性及非定常性使扩压器进口参数发生周期性的变化,导致扩压器负荷、总压恢复系数分布呈现出较强的非定常性,影响范围贯穿整个扩压器通道.      

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。     

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。     

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     

多块多重网格法及其跨声速转子内流并行模拟

为提高压气机内部复杂流动计算的收敛速度,发展了一种多块多重网格上的可压缩流动并行计算流体动力学(CFD)方法,数值模拟了跨声速转子NASA Rotor 35内部流动及气动性能,重点分析了对接分区方式和内界面通信模式对并行性能的影响。结果表明:对接分区方法和多块多重网格内界面数据处理方法能够保证串、并行CFD方法结果基本一致,且与实验数据吻合良好;并行精度基本不受分区数目和通信模式的影响,并行效率随着相对通信负载的增大而降低。所发展的并行计算方法对跨声速转子气动分析和设计具有一定的可靠性,为开发大型流体机械复杂流动的基础并行算法及软件提供了参考价值。     

分流叶片位置对高转速离心压气机性能的影响

运用三维粘性流动数值计算程序FineTM/Turbo对叶顶间隙泄漏存在时带分流叶片的高转速离心压气机模型级内部流动进行了数值模拟,重点分析了分流叶片不同起始位置及不同周向位置对压气机级内三维粘性流场及整级性能的影响.计算中采用Jameson的中心差分格式结合Baldwin-Lomax代数模型使用时间推进法求解雷诺平均N-S方程,计算模拟了模型级内部复杂的三维粘性流动过程及气体参数分布的详细结构和规律.计算结果表明:采用分流叶片在进口段会减少叶片阻塞,从而使更高的质量流量可以流经叶轮;分流叶片起始位置位于Ⅲ时,两个通道叶轮出口处速度分布最均匀;分流叶片越短,长叶片压力面无量纲静压载荷越大.当分流叶片长度达到某一数值后,长叶片载荷变化趋于平缓.分流叶片位于不同周向位置时,IBSA叶轮的模型级效率最高,压气机性能最好.     

跨声速轴流压气机叶片周向弯曲的数值优化

采用优化软件ISIGHT作为平台,集成了三维粘性流计算软件NUMECA和轴流压气机叶片造型程序,建立了一套叶轮机械气动性能优化系统.针对跨声速轴流压气机动叶和静叶的周向弯曲进行了优化.结果在整条特性线上,该级压气机的效率和压比都得到了不同程度的提高,充分验证了该叶轮机械气动性能优化系统的可靠性.同时表明转子的尖部反弯可以有效地减小叶尖间隙的横向流动.      

跨音速轴流压气机动叶弯曲的数值优化

采用优化软件ISIGHT作为平台,集成了三维粘性流计算软件NUMECA和轴流压气机叶片造型程序,建立了一套叶轮机械气动性能优化系统。针对跨音速轴流压气机动叶和静叶的周向弯曲进行了优化。结果在整条特性线上,该级压气机的效率和压比都得到了不同程度的提高,充分验证了该叶轮机械气动性能优化系统的可靠性。同时表明转子的尖部反弯可以有效地减小叶尖间隙的横向流动。     

高负荷带转速差的离心串列叶轮流动机理研究

为了充分利用材料应力极限,探索高负荷离心压气机的设计方法,在常规离心叶轮的基础上,利用新的设计思路实现了带转速差的离心串列叶轮设计,采用经过校核的数值计算方法,对带转速差的离心串列叶轮压气机内部流动进行了详细数值模拟,从性能与流场细节分析了传统离心叶轮与带转速差的离心串列叶轮的差异。结果表明:相比于常规叶轮,合理布局的带转速差的离心串列叶轮在设计点整级等熵效率提高了1.96%,压比提高了0.14;激波与附面层相互作用引起的损失减小,二次流引起的"射流-尾迹"流动结构得到抑制;叶片载荷分布得到重新分配,改善了叶轮出口流场品质,降低了叶轮出口处绝对马赫数,扩压能力与无叶扩压段的总压恢复系数得到进一步提升,从而有效提高了整级压气机全工况性能。     

跨音风扇转子尖部非定常流场的PIV初步测量

数字式PIV技术可以在瞬间记录下整个测量截面内的流动信息,从而为解决跨音压气机转子内非定常流动测量难题奠定了良好的基础,代表着叶轮机械内部复杂流动测试技术的发展方向。本文将数字式二维PIV系统成功应用于跨音压气机实验台,对一小展弦比高负荷跨音风扇转子尖部的非定常瞬态流场进行了成功测量。      

跨音速压气机转子内三维流场数值模拟

采用多步Runge-Kutta与有限差分相结合的格式,离散叶轮机械内三维欧拉方程,应用代数法生成了压气机转子三维网格。用此方法模拟了NASA Rotor37跨音速压气机转子流场,计算得到的流场与试验结果进行了对比。结果表明,该方法收敛速度快,实用可行,计算简单省时。并且,该方法为研究叶轮机械内部流场计算提供了很好的基础。在此基础上进行更深层次的研究会变得很容易。     

非结构CFD软件MPI+OpenMP混合并行及超大规模非定常并行计算的应用

常规工程应用中，非定常数值模拟（如多体分离）的计算量十分巨大，如果为了达到更高的计算精度，加密网格或者采用高精度方法将会使得计算量进一步增大，导致非定常数值模拟在CFD工程应用中成为十分耗时和昂贵的工作，因此，提高非定常数值模拟的可扩展性和计算效率十分必要。为充分发挥既有分布内存又有共享内存的多核处理器的性能和效率优势，对作者团队开发的非结构网格二阶精度有限体积CFD软件（HyperFLOW）进行了混合并行改造，在计算节点间采用MPI消息传递机制，在节点内采用OpenMP共享内存的MPI+OpenMP混合并行策略。首先分别实现了两种粒度（粗粒度和细粒度）的混合并行，并基于国产in-house集群采用CRM标模（约4 000万网格单元）定常湍流算例对两种混合并行模式进行了测试和比较。结果表明，粗粒度在进程数和分区数较少的小规模并行时具有效率优势，16线程时效率较高；而细粒度混合并行在大规模并行计算时具有优势，8线程时效率较高。其次，验证了混合并行在非定常计算情况下的可扩展性，采用机翼外挂物投放标模算例，分别生成3.6亿和28.8亿非结构重叠网格，采用对等的（P2P）网格读入模式和优化的重叠网格隐式装配策略，网格读入和重叠网格装配耗时仅需数十秒；采用3.6亿网格，完成了非定常状态效率测试及非定常分离过程的湍流流场计算，在in-house集群上12 288核并行效率达到90%（以768核为基准），在天河2号上12 288核并行效率达到70%（以384核为基准），数值模拟结果与试验结果符合良好。最后，在in-house集群上采用28.8亿非结构重叠网格进行了4.9万核的并行效率测试，结果显示，4.9万核并行效率达到55.3%（以4 096核为基准）。     

不同类型搭接网格对周向槽处理机匣模拟结果影响研究

摘 要: 为深入研究不同类型搭接网格对周向槽处理机匣数值模拟结果的影响,以某单级跨声速压气机及其转子叶顶的周向槽处理机匣作为研究对象,划分了多种计算网格并采用不同类型搭接网格关联周向槽与压气机主流道。详细的三维定常数值模拟和分析表明,传统完全非匹配搭接网格,在计算上会导致流场数据通过搭接网格传递时明显失真,使转子尖部复杂流动呈现显著间断特征,给压气机内流和性能模拟结果带来较大不确定性;增强搭接网格匹配度,有利于提高流场数据传递精度,弱化转子尖部复杂流动的不连续性,降低模拟结果的不确定性;采用完全匹配类型搭接网格,可在计算上完全避免搭界网格上的流场数据传递失真,从而使压气机内流及性能模拟结果具有更高的可信度。     

离心叶轮与扩压器相互干扰数值模拟

采用定常与非定常数值模拟方法,对某小型离心压气机进行数值计算,首先比较了定常结果与非定常时均结果的特性;然后结合离心叶轮出口和径向扩压器进口典型位置非定常压力脉动的频域特性,研究了离心叶轮与扩压器之间的转静干涉作用;最后着重分析了离心叶轮带与不带分流叶片对径向扩压器进口压力脉动频率特性的影响。结果表明:在相同流量下,非定常时均结果的压比偏高约3.7%,效率偏高0.1%;在带有分流叶片的离心压气机中,离心叶轮叶片出口与扩压器叶片进口的脉动除了叶片通过频率的非定常脉动外,分流叶片尾缘会产生与之强度相当的2倍叶片通过频率的非定常压力脉动。同时,分流叶片会对径向扩压器进口产生更强的0.5倍叶片通过频率非定常压力脉动,这些频率的非定常压力脉动很可能会对离心压气机叶片的疲劳强度造成影响。     

跨声速轴流压气机不同工况下转子激波与导流叶片尾迹相互干涉研究

应用3维黏性流动计算软件Fine/Numeca,对某型1.5级跨声速轴流压气机进行内部流场和全工况特性数值模拟,得到该压气机特性曲线。在最高效率点和近失速点,在2种质量流量下,对压气机内部流场进行非定常对比计算,分析了在质量流量变小时,压气机内部流场的变化情况。     

一种离心压气机性能仿真数学模型

阐述了一种能够达到设计精度要求的快速简单离心压气机性能仿真数学模型,模型中计及离心压气机内出现的各种损失,采用迭代方法计算几个划分截面上的子午速度。为了保证计算精度,叶轮出口和扩压器间流动划分成多段交错网格进行计算。采用建立的数学模型对 Krain离心压气机叶轮性能进行了模拟,并把计算结果同三维 N-S方程的计算结果进行了比较。结果表明,采用建立的仿真模型能够用来模拟离心压气机叶轮性能,为设计离心压气机提供了一个有利的工具,而且对带有涡轮增压器的内燃机设计具有重要的实际意义。      

叶尖间隙流动对某微小型离心压气机性能的影响

为研究微小型离心压气机在不同叶尖间隙下的性能变化,对某高速跨声离心压气机进行了带间隙的三维黏性流场数值模拟,详细分析了在不同的间隙情况下压气机内部流场特征和性能变化趋势.结果表明,随着叶尖间隙增大,叶轮流道内泄漏流动的强度明显增强,导致叶轮的增压能力下降,效率降低,以至于压气机整级压比、效率和流量都有所下降,压气机的稳定裕度也受到了明显的影响.