亚音速复合倾斜透平静叶栅的理论与实验研究

采用三维全势函数多重网格数值方法求解亚音速透平静叶栅流场。以 30 0 MW汽轮机调节级静叶栅的设计为目标 ,采用子午面上外环壁收缩和叶片周向复合倾斜两项措施 ,以求大幅度地减少叶栅二次流损失。实验研究表明新设计叶栅的损失系数比直叶栅降低 42 % ,测出的叶片表面静压分布与理论计算结果十分吻合     

动网格区域对叶片颤振流固耦合计算效率及精度的影

采用分区动网格对叶片进行流固耦合分析时，动网格区选取不当，会影响计算效率及精度。考虑到叶片振动主要影响叶片周围的流场，取叶片附近区域为动网格区，并通过弹性体法实时更新其内部网格。采用RANS方程描述流场，并通过SIMPLE算法求解流场得到叶片表面静压。通过直接积分法求解叶片振动控制方程得到叶片响应。通过叶片振动与流场之间的迭代求解实现流固耦合计算。采用对数衰减率评估叶片振动的稳定性，对数衰减率为0时的压比即为颤振临界压比。计算了轴流压气机叶片的颤振边界，并研究了动网格区对计算效率及精度的影响。结果表明，对于叶高为0.17m左右的轴流压气机叶片来说，取动网格区外边界到叶片的距离与叶片最大位移的比值约为2时，能够在保持计算精度的前提下，最大限度地提高计算效率，计算时间比全域动网格减少了13.4%，颤振临界压比的计算值相对全域动网格的误差为0.49%。     

动网格区域对叶片颤振流固耦合计算效率及精度的影响

采用分区动网格对叶片进行流固耦合分析时,动网格区选取不当,会影响计算效率及精度。考虑到叶片振动主要影响叶片周围的流场,取叶片附近区域为动网格区,并通过弹性体法实时更新其内部网格。采用RANS方程描述流场,并通过SIMPLE算法求解流场得到叶片表面静压。通过直接积分法求解叶片振动控制方程得到叶片响应。通过叶片振动与流场之间的迭代求解实现流固耦合计算。采用对数衰减率评估叶片振动的稳定性,对数衰减率为0时的压比即为颤振临界压比。计算了轴流压气机叶片的颤振边界,并研究了动网格区对计算效率及精度的影响。结果表明,对于叶高为0.17m左右的轴流压气机叶片来说,取动网格区外边界到叶片的距离与叶片最大位移的比值约为2时,能够在保持计算精度的前提下,最大限度地提高计算效率,计算时间比全域动网格减少了13.4%,颤振临界压比的计算值相对全域动网格的误差为0.49%。     

轴流压气机叶片准三维自动优化设计

为提高轴流压气机叶片气动设计效果,将叶片准三维设计方法与叶型自动优化技术相结合,构建轴流压气机叶片准三维自动优化设计平台。在叶片三维数值计算结果中提取总压损失系数径向分布,反馈到S_2流面计算程序,替代原有的基于试验数据的损失模型,重新进行通流设计,提高S_2流面流场计算精度;S_1流面叶型设计采用并行遗传算法与叶轮机CFD方法相结合的叶型自动优化方法,以数值寻优代替叶型气动外形的人工调整,减小对设计经验的依赖。运用设计平台,对一设计流量6.3kg/s,设计压比2.07的轴流压气机第一级转子进行气动设计,得到径向三维叶片,设计点流量、总压比均接近设计目标,等熵效率接近90%,失速裕度达15.5%,结果令人满意。采用三维优化方法进一步进行叶片积叠线弯、掠设计,在失速点到设计点的稳定工作范围内效率均得到了1%的提升。     

压气机叶片多目标优化设计及稳定裕度分析

将数值最优化方法与压气机叶片流场计算相结合,以总压损失、压比、流量作为目标,应用人工神经网络来近似拟合其与设计变量的函数关系,基于罚函数利用遗传算法对其进行优化直至收敛。从压气机堵塞点开始,逐步提高背压,进行稳定性分析,得出优化前后叶片的稳定裕度。与原风扇转子相比,在设计工作点总压损失系数降低,压比和流量均增大,并且在整个工作流量范围内除在喘振点附近外总压比和效率都有一定的提高,经过验证优化后转子的峰值效率和稳定裕度都得到了显著提高。     

带扩压叶片的蜗壳流场计算与分析

利用CFD技术,分析了某氧化剂泵蜗壳的截面形状、截面面积变化规律,以及扩压叶片和隔舌相对位置对水力损失的影响。流场计算结果表明,选取合适的截面面积变化规律可以使水力损失显著减小,提高水力性能;扩压叶片与隔舌相对位置对扩散段流场的分布有影响,适当调整可以减小水力损失。     

基于多级环境下的双排对转压气机优化设计

以某双排对转压气机为研究对象,采用三维Navier-Stokes方程计算、叶片参数化造型、神经网络构建近似函数、遗传算法寻优相结合的优化方法,对转子2叶片进行级环境下的全三维叶型优化方案探索.优化目标是在控制流量和压比的情况下,最大化等熵效率.优化结果显示,设计点压气机效率提高1.5%左右.通过流场细微结构分析表明新叶型的气动布局得到合理改善,转子2中,尖部流场低速区域有所减少,分离现象有所减弱.      

单转子风扇的三维反问题气动设计

采用准三维流函数反问题设计方法与三维 N-S求解方法的相互迭代对单转子风扇进行气动设计。在叶片初步计算中得到叶栅进出口气流角沿径向分布 ,并将它作为本文的目标函数。采用准三维反问题求解方法 ,依次构造出各个 S1流面上的叶片几何形状和气流角分布。然后再采用 N-S方程的求解方法 ,对叶片进行全三维流场的数值计算。通过 N-S方程计算结果与目标函数的对比 ,重新修正叶片出口气流角分布 ,并作为下一次反问题设计的目标函数。经过反问题与 N-S方程求解的反复迭代 ,最终得到满足设计要求的叶型。     

翼柱型装药燃烧室三维非定常湍流的数值模拟

采用к－ε双方程湍流模型,以ＳＩＭＰＬＥ计算程式结合ＴＤＭＡ法求解翼柱型装药固体火箭发动机燃烧室内三维非定常不可压流Ｎ－Ｓ方程。在建立翼柱型装药简化模型的基础上,采用边界标志来表达燃面推移,采用从二维到三维的初场给定方法结合多重网格法,求出了多个时间步的非稳态流场结构。计算结果表明：燃烧室内旋涡运动呈现一定的空间与时间分布,周向加质导致燃气通道横断面上轴向速度分布的极不均衡。     

两级涡轮三维无粘定常流场的数值模拟

采用三阶精度TVD格式和隐式近似因子分解方法, 求解了某型航空发动机两级低压涡轮的三维稳态流场。控制方程为欧拉方程组, 流动损失以分布体积力的形式加入到方程组中。动静叶之间的参数传递采用了一种新的周向平均模型, 基于连续流场的假设, 各列叶栅的进出口条件采用了新的给定方法。为了证实本文方法的可靠性, 与S2流面计算的结果进行了比较。      

H型叶栅通道流计算网格的改进

提出一种壁面正交、尾迹区网格节点分布逐渐均匀化叶栅通道网格生成方法。为了研究壁面处网格正交性对数值计算结果的影响，推导出壁面附近流动参数一阶导数离散误差与网格线交角的数学关系。采用N-S方程分别对平板紊流附面层流和叶栅通道流进行计算分析。结果表明：壁面处网格正交性对附面层内流动计算预测精度影响较大，而对势流区流动影响很小；尾迹区切向网格节点逐渐均匀化分布能更准确计算尾迹区流动。     

U型进气管道对某离心压气机性能的影响

采用实验和数值模拟的方法研究了U型管道进气对某离心压气机性能的影响.实验结果显示,相比直管进气,U型管道进气在大流量工况下显著降低了压气机性能,压比、效率的下降量分别可达10%和18%以上.数值分析表明:U型管道进气时,其出口产生静压和总压畸变;压气机下游蜗壳因几何周向不均而存在相应的压力畸变,该畸变沿叶轮槽道向上游传播的过程中与进气畸变发生耦合.这种耦合作用改变了叶轮进口的流场结构,使叶轮槽道流量分布发生变化,叶轮对应畸变区域的熵值增加;同时还改变了叶片表面静压的分布形式,使整个叶轮主叶片的平均载荷增大约8%.      

混合遗传算法及其在叶片自动优化设计中的应用

 在遗传算法中 ,采用单纯形法寻优取代变异运算构成混合遗传算法 ,以提高遗传算法局部搜索能力。算例表明混合遗传算法可有效提高搜索效率和对最优解的逼近程度。采用三次多项式和多圆弧方法生成叶型中弧线 ,三次多项式分布叶型厚度 ,对叶型进行参数化。将N S方程正问题流场数值计算与混合遗传算法相结合 ,构成叶轮机械叶型自动优化设计。尝试由气流转角、总压损失和叶型型面面积构成目标函数 ,对压气机叶型进行自动优化设计。     

Development of a coupled supersonic inlet-fan Navier–Stokes simulation method

A coupled supersonic inlet-fan Navier–Stokes simulation method was developed by using COMSOL-CFD code. The flow turning, pressure rise and loss effects across blade rows of the fan and the inlet-fan interactions were taken into account as source terms of the governing equations without a blade geometry by a body force model. In this model, viscous effects in blade passages can also be calculated directly, which include the exchange of momentum between fluids and detailed viscous flow close to walls. NASA Rotor 37 compressor test rig was used to validate the ability of the body force model to estimate the real performance of blade rows. Calculated pressure ratio characteristics and the distribution of the total pressure, total temperature, and swirl angle in the span direction agreed well with experimental and numerical data. It is shown that the body force model is a promising approach for predicting the flow field of the turbomachinery. Then, coupled axisymmetric mixed compression supersonic inlet-fan simulations were conducted at Mach number 2.8 operating conditions. The analysis includes coupled steady-state performance, and effects of the fan on the inlet. The results indicate that the coupled simulation method is capable of simulating behavior of the supersonic inlet-fan system.     

叶尖掉块对跨声速压气机气动性能影响

为了支撑服役环境下压气机气动性能的评定,通过数值仿真研究了叶尖掉块对跨音速压气机转子气动性能的影响规律和机制。首先利用实验结果对数值仿真方法进行校验,验证了方法的可靠性,进一步对不同形式叶尖掉块下压气机气动性能进行了仿真分析。研究结果表明转子叶尖掉块会使得压气机正常工作状态下压比和效率略有降低,导致压气机近失速点流量明显增大;在大流量工况下压气机气动性能与掉块叶片的相对位置并无直接关联,但在近失速点,掉块叶片不相邻时会使得对压气机压比和效率下降更多,但近失速点流量对掉块叶片相对位置的变化并不敏感;转子叶尖掉块会增强叶尖区域泄漏流动,强的泄漏流动与叶片通道激波发生相互作用会引起泄漏涡的破碎,引起较大的流动堵塞和损失,导致压气机气动性能衰减;掉块叶片产生的流动堵塞和吸力面气流的膨胀加速会影响到吸力面侧的掉块叶片,进而限制泄漏流的发展,使得流动堵塞和损失维持在较低水平,但这种影响会随着掉块叶片距离的增大而减弱。     

多级环境下轴流压气机反方法改型设计

基于全三维黏性流场求解,对多级轴流压气机叶片反方法改型设计技术进行了研究。介绍了所采用的数值求解方法,之后阐述了压气机叶片反方法设计的基本原理和流程。为验证方法的有效性,对某型高压压气机后四级初始设计结果进行了数值模拟和反方法改型设计,基于对数值结果的分析提出了多级环境下叶片表面载荷分布调整的具体方法。反方法改型设计结果表明,通过合理调整多个叶片表面载荷分布,提升了四级压气机整体气动性能。设计点绝热效率基本保持不变,压比提高6.57%。      

分流叶片长度和周向位置对高压比离心压气机性能的影响

摘要：为揭示分流叶片长度和周向位置对高压比离心压气机性能的影响机制,采用数值方法考察了典型分流叶片长度和周向位置下压气机性能和流场结构。通过对压气机流场的详细分析,建立了分流叶片长度和周向位置参数与压气机流动结构的关联性。研究表明：分流叶片的优化设计需综合考虑长度和周向位置,采用60%长度和60%周向位置的分流叶片方案可获得最佳压气机级性能,该方案的压比和效率较设计值分别提高了3.2%和1.0%;分流叶片改善压气机性能的机制为分流叶片对主叶片泄漏涡的分流作用,以及分流叶片吸力面高速低压气流对泄漏涡的引射作用;进行分流叶片优化设计时,应合理选取叶片长度和周向安装位置,以实现分流叶片对主叶片泄漏涡的分流和引射,同时应避免分流叶片过长导致叶顶发生明显二次泄漏和分流叶片前缘形成高马赫区。     

进气畸变对轴流压气机性能影响的准三维计算

为了提高分析进气畸变对轴流压气机气动性能和稳定性影响的能力,发展了一种沿叶高将压气机分割为若干个子压气机、采用二维可压缩非定常的Euler方程描述各子压气机回转面上无叶区的流动,并利用二维可压缩"激盘"取代各子压气机的转子和静子叶排的预测进气畸变影响的准三维模型。稳定边界的确定采用Koch的最大失速静压升系数法,并引用了临界畸变角的概念。计算分析了总温畸变、总压畸变以及总温 总压组合畸变沿多级轴流压气机的传递和对压气机性能和稳定性的影响。计算结果与现有的实验数据十分一致。     

叶尖单侧倒圆对扩压叶栅叶顶间隙流动的影响

提出了一种控制扩压叶栅叶顶间隙流动的方法,通过对叶尖压力面小尺度的倒圆修型,改善了扩压叶栅叶顶间隙流动状况。通过数值模拟方法研究叶尖倒圆结构对扩压叶栅性能的影响及作用机理,并探究3种不同倒圆半径(约为3%、4%、6%的叶片最大厚度)叶尖倒圆结构的流动控制效果。结果表明:叶尖倒圆能够削弱叶尖分离涡,进而影响叶尖流场不同涡系之间的相互作用,使得叶顶间隙通道附近的总压损失减少;但是叶尖倒圆半径越大,泄漏流流量越大,会加剧泄漏流与主流的掺混,使总压损失增加。因此合适的叶尖倒圆半径能够使叶栅性能得到最大程度的改善。此外,在倒圆半径为3%叶片最大厚度时,叶栅在较大的攻角范围内均获得了良好的改善损失的效果。     

缝式机匣处理及其轴向偏转角对跨声速轴流压气机稳定性的改善

以NASA Rotor 67为研究对象,采用非定常数值模拟方法,开展缝式机匣处理及其轴向偏转角对跨声速轴流压气机稳定性改善的研究,并且揭示缝轴向偏转角的变化对其扩稳能力和扩稳机理的影响。结果表明,不同轴向偏转角的缝均提高了压气机的稳定裕度,但是均降低了压气机的峰值效率。反叶片角向缝获得的稳定裕度改进量和峰值效率改进量分别约为24.22%和-1.19%。随着缝的轴向偏转角由负向正变化,缝的扩稳能力逐渐减弱,缝带来的峰值效率损失亦逐渐减少。流场分析表明,实壁机匣时,压气机的失速类型为叶顶堵塞形式的突尖型失速。通过感受叶片通道和叶顶吸/压力面的压差,反叶片角向缝对泄漏流进行抽吸和射流作用,一方面消除了泄漏流及其泄漏涡扩散带来的负面影响,另一方面激励了泄漏流,提高了泄漏流的速度,降低了泄漏流的总压损失,增强了叶片的做功能力。随着缝的轴向偏转角由负向正变化,由于缝能够利用的叶顶载荷从两个减成一个,缝的抽吸和射流作用均减弱,泄漏流的速度降低,泄漏流的总压损失提高,叶片的做功能力减弱,这就导致缝的扩稳能力减弱。