非线性谐波法在双级对转压气机中的进一步校检

以双级对转压气机为研究对象,在与试验结果及常规非定常方法对比的基础上,对新型非定常模拟方法——非线性谐波法(NHM)进行了时域和频域中的校检分析,探索其相比常规非定常方法的适用性.研究结果表明:非线性谐波法在设计工况下能够较为可靠地模拟确定应力的大小及其分布规律,具有较高的建模精度.对于近失速状态,由于流场中的固有周期性被破坏,导致非线性谐波法在该工况下不再适用,其与常规非定常模拟结果存在明显差异.      

轴流压气机非定常数值模拟方法精度分析

以Stage-35单级轴流压气机为研究对象，分别用相位延迟法、叶片约化法及非线性谐波法对其进行非定常数值模拟，并与实验及半环精确非定常模拟进行对比，以分析各非定常模拟方法的计算精度。结果表明:3种非定常计算方法在对流场时均参数的预测上均能达到半环精确非定常模拟相同的精度，但几何改变使叶片约化法得到的频谱特征尤其是基频谐波幅值产生较大变化；相位延迟法虽能较准确预估基频谐波幅值，但在其余谐波处则精度通常低于叶片约化法；非线性谐波法在计算参数的非定常时域及频域特征时精度比相位延迟法和叶片约化法低。      

动/动干涉效应对叶片非定常负荷的影响

采用非定常数值模拟的方法研究了设计工况下对转压气机内部的非定常流动机理,着重分析对转压气机内部两排转子之间动/动干涉效应对叶片非定常负荷的影响。研究表明:对转环境下,下游转子的势流干扰造成上游转子压力面的强非定常性,而在上游转子尾迹和势流干扰的影响下,下游转子叶片前缘非定常性极强,相比叶片其他区域非定常强度不是很高,并且从频谱分析的角度证实了两排转子之间的相互影响,反向旋转造成叶片表面压力脉动频率加倍;分析两排转子叶片表面的气动力可知,下游转子的势流干扰对上游转子造成的影响略微强于上游尾迹和势流对下游转子的影响,并且两排转子之间的相对位置对叶片所受非定常气动力存在一定的影响。     

单级轴流压气机确定应力场计算精度分析

为分析各非定常模拟方法对于确定应力场的计算精度以便为确定应力的建模与校准提供指导,以Stage35单级轴流压气机为研究对象,分别用相位延迟法、叶片约化法及非线性谐波法对其进行了非定常数值模拟,并将得到的确定应力分布与半环常规非定常模拟进行对比。结果表明:非线性谐波法对于确定应力的预测值通常偏大,而相位延迟法及叶片约化法均能较准确地捕获流场确定应力分布,但对于确定应力的周向变化,三种方法的预测精度均不高;谐波阶数的增加有助于提高非线性谐波法对于流场频谱特征的计算精度,并且使确定应力有增大趋势,但对时均参数的预测精度影响很小。     

基于非线性谐波法的跨声速压气机确定应力建模

基于三维定常Denton程序发展了非定常、非线性谐波法计算程序,以三维单级、多级跨声速压气机计算为例,通过详细对比非定常和非线性谐波法得到的确定应力(DS)场,验证了非线性谐波法具有建模精度较高的优点的同时,也分析了影响建模精度的5个误差来源.结果表明:非线性谐波法进行确定应力建模时随着谐波阶次的增多,确定应力的数值趋于一极限值,表现出"谐波收敛性";在算例中考虑前两阶谐波是效益-费用比较高的方案.     

动叶弯和掠对压气机效率非定常波动的影响

对一单级跨声压气机设计工况下采用了3种弯、掠动叶后的非定常流场分别进行了数值模拟,分析了动叶弯、掠对级效率非定常波动的影响.研究结果表明:非定常计算条件下,动叶弯、掠后的压气机效率仍然获得大幅提高,并且效率的波动幅值同原型压气机相比明显降低,同时动叶改型前后的效率和压比的非定常波动曲线的相位发生了偏差;弯、掠动叶降低了压气机顶部和根部的分离损失,也使根部和顶部的效率波动显著降低.      

非线性谐波法的进一步校验分析

基于定常Denton程序发展了二维定常、非定常、非线性谐波法计算程序,以二维跨声压气机叶栅为例,通过详细对比其定常、非定常和非线性谐波法的计算结果,包括确定应力场和叶片表面速度分布等,验证了非线性谐波法具有建模精度较高的优点的同时,也分析了该方法的不足,包括一些难以克服的主要误差来源,以及计算时间较长等弱点;并指出了掺混面处理对于非线性谐波法的重要性.      

高负荷对转压气机中尾迹传播机制研究

为了研究尾迹在高负荷对转压气机中的转播机制,采用频域的非线性谐波方法对两级高负荷对转压气机进行了非定常流计算。结果表明:在设计点,通过与定常流计算的结果对比,发现第二级转子在0%~25%的近叶根区域和67%~100%近叶尖区域,非定常得到的效率较小,而在25%~67%的叶中部分非定常的效率更大。研究了尾迹在这三个不同区域的传播规律。结果表明:在叶中,尾迹恢复效应在流动中起到了效率增益的作用;在叶尖,它会与机匣的附面层以及叶尖泄漏流作用,使得端壁附面层增厚和引起泄漏流熵增;在叶根,由端壁附面层产生的马蹄涡和分离涡会影响尾迹的传播,卷吸尾迹并导致尾迹破碎,引起掺混损失。     

用于多级压气机非定常流动的谐波平衡方法研究

为了在保证计算精度的同时,进一步提高压气机流动非定常模拟的计算效率,在课题组自行开发的结构化有限体积解算器上实现了谐波平衡法。以1-1/2级轴流压气机为研究对象,采用谐波平衡法和相滞后法对其非定常流场进行了数值模拟,并采用谐波平衡法对该压气机的时序效应进行了初步研究。计算表明,随着谐波阶数的增加,谐波平衡法的计算结果逐渐接近于相滞后法的计算结果;在谐波阶数达到5阶以后,谐波平衡法的计算结果不再随谐波阶数的增加而变化,且与相滞后法的计算结果匹配;谐波平衡法在保证与相滞后法相同的计算精度的情况下,计算效率相比相滞后法高了近3倍;5阶谐波平衡法即可很好地模拟入口导叶-静叶时序效应。算例表明,谐波平衡法相比相滞后法具有更多的选择空间和更高的计算效率。     

基于非线性谐波法评估压气机转静干涉诱发的强迫响应

针对压气机转静干涉诱发的强迫响应问题,对某型风扇试验件进口可变弯度导向叶片进行流固耦合数值模拟。基于NUMECA的非线性谐波法,求解在后排转子势流作用下可调导叶的非定常流场,从而获得谐波压力,并对其作用在前排可调导叶相应模态下的强迫响应进行了计算,与试验验证结果吻合。结果表明:基于非线性谐波法的流场计算以及强迫响应分析,为工程应用建立了转静干涉诱发强迫振动响应的数值评估方法。     

对转压气机转子间不同转差下非定常流动的PIV测量

针对转压气机前后转子不同转差下的转子间流场分布有其自身特点,本文采用粒子图像速度仪(Par-ticle Image Velocimetry,PIV)测量前后级转子等转速及不同转差下级间通道内的流场结构,并对测量结果进行了分析.结果表明:不同转差条件下压气机转子间流场分布随转差及相位呈现较为明显的变化,前级转子叶栅尾迹分...     

一种对转压气机气动设计方法及其验证

结合附面层抽吸技术提出了一种高负荷对转压气机气动设计方法.在高负荷设计前提下,为避免在转动部件中进行附面层抽吸所带来的诸如强度等问题,利用基于动叶出口轴向速度提升的低反动度压气机气动设计原理,提升动叶出口轴向速度以确保动叶效率,附面层抽吸只在静叶中进行.利用该对转压气机气动设计方法,进行了一对转压气机气动设计验证.三维黏性数值模拟结果表明,在第一列转子与第二列转子叶尖切线速度分别为370m/s与350m/s的前提下,实现了总压比为5.85,效率为88%的两级对转压气机气动设计.     

基于动态边界的跨声速压气机过渡态三维模拟方法

针对航空涡轮发动机部件的过渡态,提出了一种基于压气机部件三维模型的过渡态性能计算方法,采用动态边界条件,以转速和出口静压为过渡过程的控制参数,二阶向后欧拉法求解三维非定常雷诺平均Navier-Stokes方程组,通过三维非定常模拟获得压气机的过渡态性能和内部非定常流场特征。以NASA跨声速压气机Rotor 67转子为模型,采用该方法模拟了压气机从60%设计转速加速至100%设计转速的过渡过程,获得了压气机过渡态性能及转子内部详细的激波结构与演变过程。对比通用特性结果,在整个过渡曲线上,总压比相对误差最大值小于6%,绝热效率相对误差最大值小于2%,验证了该方法的可靠性。结论表明:基于动态边界的三维非定常模拟方法能够准确模拟压气机的过渡态性能,并反映出过渡态的非定常流场详细信息。     

对转压气机中自循环机匣处理扩稳机理的研究

为拓宽自循环机匣处理的适用范围,以对转压气机为研究对象,采用数值方法研究了自循环机匣处理的扩稳机理和轴向喷气位置对其扩稳能力的影响,详细分析了自循环机匣处理前后对转压气机的总体特性和转子叶尖流场的变化.结果表明:对最先失速的转子配置自循环机匣处理可以获得可观的裕度改善,但轴向喷气位置对扩稳效果和压气机的气动性能均有显著...     

对转压气机转差特性试验与数值研究

为了探索对转压气机流场特性,积累相关设计经验,本文进行在前后级转子等转速压比和效率特性试验基础上,着重进行了前后级转子不同转差下的特性实验。同时,借助CFD技术,辅助分析了转差对压气机特性及流场的影响。结果表明,转差变化引起压气机性能与流场结构发生显著变化,是影响压气机性能的主要因素之一。     

缝式机匣处理对对转压气机的扩稳机理

为探索缝式机匣处理在对转压气机中的适用性，采用数值模拟的方法研究了缝式机匣处理对对转压气机气动性能和稳定裕度的影响。通过分析缝式机匣处理对压气机总体性能和叶尖流场的影响，以揭示缝式机匣处理在对转压气机中的扩稳机理。研究表明：缝式机匣处理可以提高对转压气机的失速裕度，机匣处理的轴向位置对对转压气机的气动性能和失速裕度有显著的影响。随着机匣处理的前移，对转压气机峰值效率的亏损逐渐减小，而失速裕度改善程度相差不大。机匣处理缝的抽吸和射流效应减弱了转子R2叶顶通道的堵塞程度，通过抑制叶尖泄漏流和二次泄漏流的发展以推迟失速的发生，进而实现扩稳。此外，缝式机匣处理时可能改变该对转压气机的最先失速级，同时也证明了缝式机匣处理在变工况下扩稳的有效性。     

进口畸变下非定常数值模拟进口边界数学模型

进口畸变下压气机内存在的不同空间和时间尺度的非定常流动之间的相互作用是进口畸变对压气机性能影响的重要流动机理.介绍了一种用于周向进口总压畸变下单转子通道内非定常数值模拟的进口边界简化模型,并基于该模型进行了三维非定常数值模拟.数值模拟结果显示了进口周向总压畸变的大尺度总压脉动和压气机转子通道非定常分离流场的相互作用过程.该模型为周向进口畸变的三维非定常数值模拟提出了一种简化方法.      

对转压气机外伸激波对叶顶泄漏流影响

摘要:为了揭示对转压气机下游转子外伸激波对上游转子泄漏流的影响规律,针对上游转子叶顶间隙分别为0.2、0.5、0.8 mm的对转压气机开展了非定常数值模拟研究。研究发现:受下游转子外伸激波掠扫影响,上游转子尾缘附近压力面会形成弱压缩波,且随上游转子泄漏流增强而逐渐减弱;而该外伸激波在上游转子尾缘附近吸力面,会形成与型线切向相垂直的较强压缩波,且其位置基本不受叶顶间隙大小影响;外伸激波使上游转子尾缘附近吸、压力面压差增大,叶顶泄漏流增强,进而导致其损失增大;随着叶顶间隙增大,上游转子叶尖区弦长前半段压力波动的频率,由通道激波转为叶顶泄漏流主导,且呈现减小的趋势,而弦长后半段压力波动的频率主要由外伸激波主导,且基本不变。      

对转压气机非轴对称端壁造型优化设计

为探索非轴对称端壁对对转压气机流场影响机理,采用端壁造型进一步提高对转压气机性能,以某对转压气机双排转子为研究对象,应用人工神经网络与遗传算法在整机环境下先后对转子1(R1)和转子2(R2)进行了非轴对称端壁造型优化,并对比分析了优化前后流场结构及性能.结果表明:在优化工况点,非轴对称端壁改变了各转子轮毂附近的静压分布,减小了周向静压梯度,降低了二次流强度;同时改变了各转子沿径向的通流能力,提高了各转子靠近尖部区域的效率;最终对转压气机整机效率上升了0.78%.