高压比离心压气机二次流旋涡结构研究

为揭示高压比离心压气机的流动特性,采用数值方法对高压比离心压气机的旋涡结构和流动损失的产生及演变规律进行了研究。根据不同类型旋涡的具体特征,给出了分别适用于受迫涡和自由涡的二次流识别方法,包括截面旋线法和拟定主流的截面流线法。应用给出的二次流识别方法并结合耗散函数,探讨了压气机内旋涡的形成机理以及旋涡与损失的关联性。研究表明:当涡量与截面法矢量夹角的余弦值大于零时,旋线方向与实际气流方向定性一致,否则相反;旋线显示的涡轴方向与截面法矢量夹角大于90°时,识别出的旋涡不存在;刮削涡和泄漏涡既是低能流体的聚集区也是能量的耗散区,是影响离心压气机损失产生及分布的关键因素;诱导轮尾迹会抑制导风轮流道内叶表通道涡的形成。     

圆柱尾流中的二次分离及环量衰减问题

在圆柱绕流的非定常流动中,相应于旋涡的周期性脱落柱后的二次分离是周期性间断发生。二次涡的影响不能忽略。但对长时间流动的模拟还必须考虑尾涡的环量衰减。模拟Bluff Body流动有效的离散涡模型应包括二次分离及尾涡衰减两种机因。本文数值计算结果证明了上述结论。     

叶栅二次流旋涡结构与损失分析

采用三维粘性程序对某型动力涡轮的第一级进行了数值模拟, 模拟结果捕捉到了该涡轮级叶栅的内部流的流动细节, 展示了涡轮叶栅端壁和型面流动及叶栅通道内的三维流动结构.通过对叶栅中的二次流现象和流动损失机理的分析, 揭示了该涡轮级叶栅通道内二次流旋涡结构(马蹄涡、通道涡、壁角涡、尾迹涡、泄漏涡等)的演变过程, 以及旋涡结构对损失分布的影响.      

小振幅振荡圆柱域内部的定常整流旋涡流动

对充满静止不可压缩粘性流体的圆柱形，当柱壁沿垂直于柱轴方向作小振幅简谐振荡时的内部流动进行了实验研究，发现柱壁振荡在圆柱域内也诱导形成旋涡形态的定常整流流动。流动图谱随不同的振荡参数组合呈现四涡形态、双涡形态以及足印状双涡和蝶状四涡的过渡形态，并初步给出了不同整流图谱随数变化的演化规律。     

轴流压气机转子尖部三维复杂流动Ⅰ——实验和理论研究

在低速大尺寸压气机实验台上,利用体视图像粒子测速(SPIV)技术测量了设计状态和近失速状态转子尖部的三维复杂流动,对典型二次流流动结构的特性及其产生、发展和演化机制做了研究。实验测量覆盖整个转子通道,从测量得到的各阶物理量中可以识别出叶尖泄漏涡、角区旋涡、通道涡和进口导叶尾迹等多种二次流流动结构。通过分析各种二次流流动结构造成的流动堵塞和损失发现:在设计状态,叶尖泄漏涡是流动堵塞和损失的主要来源,在转子出口处造成的流动堵塞约为总流量的0.35%;在近失速状态,角区旋涡对流动堵塞和损失的分布起了决定性作用,造成的流动堵塞可以达到总流量的8.5%。最后,借鉴二次流理论对角区旋涡的产生、发展和演化机制做了理论分析,结果表明角区旋涡的发展过程主要由流向速度的展向分布规律决定。     

圆柱突然起动的快速涡解法

 文中将Chorin的涡方法、格子涡(VIC)方法和快速Fourier变换(FFT)相结合,发展了一套快速有效的求解高Re数下非定常N-S方程的算法(快速涡方法)。通过对二维圆柱突然起动问题的数值计算,得到流动分离及其演化过程(包括二次涡及二次涡对的生成);此外还得到回流区对称轴线上速度分布。这些结果与实验数据及其它数值解相比,是令人满意的。该程序对其它高Re数非定常流动问题也是适用的。     

压气机叶栅内二次流的数值研究

本文应用Beam-Warming近似隐式因子分解格式以及MML代数湍流模型,采用拟压缩性方法求解雷诺平均拟压缩N-S方程组,对压气机叶栅内三维粘性流场进行了数值研究。结果发现,在给定的流动条件下,叶栅内有多涡系组成的二次流旋涡结构。这些涡系的产生、发展、破裂以及相互作用显示了叶栅通道内三维流动的主要特征并对流动损失具有重要影响。计算结果与实验结果比较,两者吻合较好。      

轴流压气机转子尖部三维复杂流动Ⅱ——数值模拟研究

在实验研究和理论分析的基础上,对亚声速压气机转子尖部复杂流动做了数值模拟研究,旨在进一步深入研究叶尖间隙和进口总压分布对转子叶尖复杂流动的影响。首先通过对与实验条件相同的转子尖部复杂流动的数值模拟研究,校验了数值模拟结果,并分析了转子尖部复杂流动速度场、压力场和涡量场分布特性。然后通过改变叶尖间隙尺度和进口总压分布,研究了二者对近叶尖复杂流动的影响。研究结果表明:当叶尖间隙小于1%叶片弦长时角区旋涡的发展是导致转子失速的关键;而当叶尖间隙大于2%叶片弦长时叶尖泄漏涡的发展是导致转子失速的关键;改变进口总压分布可以合理地组织转子尖部流动并扩大转子工作裕度。此外,通过观测近叶片吸力面二维涡线的发展趋势可以判断叶尖复杂流动的发展状态。     

突然起动圆柱的非定常绕流计算

本文用分区方法定量模拟高Re数情况下突然起动圆柱的初期对称流动。绕圆柱的二维不可压流场可分为无粘区、附着粘性区和分离区。无粘区有解析解，用非定常层流边界层方程解附着粘性区，用离散涡方法处理随时间变化的分离区。试用了混合的Rankine和Lamb涡模型及二次离散涡。给出了Re=300、9500两个算例，基本符合有关实验结果。     

叶顶间隙流动中的涡结构实验研究

叶顶间隙流动中的旋涡结构是引发导管桨、水轮机等水力机械叶顶间隙空化问题的主要因素之一。与常规船用螺旋桨（叶顶无端壁）上的梢涡流动不同，叶顶间隙流动受叶片载荷分布和间隙尺度（叶片梢部与端壁的距离）共同作用。为了研究叶顶间隙流动中的旋涡结构特性及其影响因素作用机理，本文采用二维NACA0024翼型在空泡机理水筒中，开展了基于旋涡空化观测的叶顶间隙流动显示实验和基于2D-3C PIV的叶顶间隙流场测量实验。通过空化观测实验，获得了叶顶间隙流动中的旋涡整体分布状态，以及间隙宽度、雷诺数和载荷系数等对旋涡强度的影响规律。通过流场测量实验，获得了局部全湿流场（无空化状态）中的旋涡分布规律以及其随不同影响因素的变化规律。结合流动显示实验和流场测量实验，研究了叶顶间隙流动中的旋涡结构形态以及形成机理，并初步阐明了间隙宽度、雷诺数和载荷系数对叶顶间隙流动旋涡强度的影响规律。研究表明，在NACA0024翼型叶顶间隙流动中存在两种主要稳定涡结构，分别是梢分离涡和梢泄涡；稳定涡结构是引起叶顶间隙流动空化的主要因素；翼型攻角和间隙宽度的大小是影响叶顶间隙流动中旋涡结构强度的主要因素。     

双柱振动诱导定常整流旋涡流动的实验研究

本文用流动显示实验研究圆形静止不可压缩粘性流体域内以圆心对称布置的双柱作同频同相小振幅振动时诱导的Ｓｔｏｋｅｓ层外的定常整流旋涡流动。实验表明,串列双柱当柱间距足够大时整流流谱呈八涡结构。当间距很小或为零时上涡结构。双柱的斜置有利于整流旋的合并,并柱间距接近至一定范围时,整流流动呈三维特征。振幅的减小和频率的降低使流动易出现三维现象。     

来流扰动对圆盘绕流结构影响的实验研究

主要讨论由水槽流动显示实验得到的圆盘绕流结构在上游小圆柱尾迹干扰下的变化,对圆盘前驻点附近逆压区的流动通过氢气泡显示技术进行观察.由实验结果处理得到圆盘前大涡的结构特征(如周期、最大宽度、在周期内结构随时间的变化等)受扰动几何参数的影响.发现无量纲参数L/d(L为小圆柱中心与圆盘迎风面之间的间距,d为小圆柱直径)对圆盘前驻点区域中大涡的形成和发展有重要的影响.圆柱尾迹中涡通量的增加会在圆盘前产生大尺度的涡对,其周期性演化的频率随L/d增加而增加.     

虚拟体法数值模拟双圆柱强迫振荡系统

用虚拟体方法研究了均匀流及尾流中圆柱横向振荡的流动特征.单圆柱结果与相关试验吻合,得到了"锁定"区域,发现涡量跳跃现象.对小间距双圆柱的数值模拟发现,在"锁定"区域附近随激励频率的增加流场特征会出现若干显著的变化,包括涡量的跳跃,涡模态的改变,正负涡量带的形成和消失.在大间距情况下发现下游圆柱的振荡对上游尾涡脱落没有明显的影响,下游圆柱尾流场没有发现"锁定"现象.     

垂直交叉双圆柱绕流强迫振动数值模拟

采用虚拟体法数值模拟了平面单圆柱绕流强迫振动,以及空间垂直交叉双圆柱绕流下游圆柱强迫振动流场。验证了单圆柱强迫振动中的锁定状态以及相位突变现象,从而证实了该数值方法模拟振动流场的可靠性。研究了在雷诺数Re=150、间距为5倍圆柱直径、下游圆柱按正弦曲线振动时,对尾流场的影响。下游圆柱两端尾流场在振动的作用下,涡的横向间距增大,而中心尾流场由于受上游圆柱尾流的影响而保持原先的状态。下游圆柱在锁定区的振动使尾流场变得稳定,表现在流向二次涡结构的减少,以及尾流场的速度场频谱趋向单一化。     

钝体尾迹的稳定性研究及流动控制探讨

系统地回顾了研究钝尾尾迹稳定性的主要方法，并利用局部绝对／对流稳定性分析及整体稳定性分析两种方法，研究了圆柱绕流定常和时均尾迹流场的稳定性。采用低维Ｇａｌｅｒｋｉｎ方法研究了尾迹对圆柱流向振动的响应问题，揭示了频率锁定，涡街的激发和抑制等现象。     

圆柱-平板角区湍流流动控制的风洞试验研究

角区流动中马蹄涡系的存在通常会造成不良影响。对圆柱-平板角区流动,在圆柱上游放置一倾斜的小圆棒能够改变角区流动结构。利用油流法和平板表面压力测量方法探讨了湍流流态下不同的小圆棒对平板表面的摩擦力线和压力分布的影响。油流实验揭示了倾斜棒能够改变角区的三维分离,新的分离线由倾斜棒和圆柱共同作用引起;倾斜棒对角区的作用可归类为两种不同的物理现象;倾斜棒能够引起圆柱侧面的分离线向下游发生极大的迁移,导致圆柱底部区域尾迹变窄。平板表面压力测量实验揭示附加的倾斜棒能够极大地改变压力分布情况,角区的逆压梯度相应减小;由此,逆压梯度引起的三维分离必然被削弱。