多级轴流压气机反问题级间气动匹配设计方法

为提高多级轴流压气机气动性能,采用轴流压气机叶片全三维粘性反问题求解方法,对多级轴流压气机反问题级间气动匹配设计方法进行了研究。以压气机级出口旋流角为设计目标,叶片表面载荷分布为设计对象,通过动量矩守恒方程,建立起叶片出口旋流角与叶片表面载荷分布的关系,从而实现计算过程中载荷的自动调整,修正气流在叶片出口旋流角分布。为了让压气机每一级都工作在设计给定的进口条件下,对上游级静子叶片进行反问题改型设计,使得其出口旋流角分布满足设计给定值。为了验证方法的有效性,采用四级高压压气机作为算例,对其初始设计进行反问题匹配改型设计。通过计算,修正了三个级间位置的旋流角分布,改善了下游级进口工作条件。气流在改型后压气机内部流动更加符合设计意图,级与级之间流动匹配更好。与原型相比,总压比和绝热效率分别提高了2.8%和1.3%,验证了方法的有效性。     

用平均N-S方程轴流压气机级通流数值计算

近代叶轮机准三元方法中子午流计算一直采用管流或通流的无粘流模型。发现多级轴流压气机后面级气流展向掺混重要现象之后,多级轴流压气机子午流场的计算在无粘流的基础上加上了二次流展向掺混的影响,它对多级轴流压气机特别是高压核心机后面短叶片级设计是很重要的。近年来,已经有成效地直接用N-S方程求解叶轮机中的流动问题[1、2](大多是叶栅流动问题),其重要目标似乎是较准确模拟叶轮机级中粘性流动和计算的工程设计应用。为此,我们提出用平均N-S方程和常用的紊流零方程或两方程模型来模拟叶轮机级与多级中通流的粘性流动,给风扇级和压气机级与多级准三元设计方法提供一个考虑粘性影响的通流计算工具,并提出了端壁条件一种有效的处理方法。      

基于N-S方程和离散共轭方法的气动外形设计

快速准确的目标函数梯度计算方法是基于梯度信息的优化设计的关键技术之一。采用离散共轭方法计算目标函数关于设计变量的梯度,流动控制方程为三维N-S方程。对于离散共轭方程和流动控制方程均采用LU-SGS方法时间推进求解。检验了离散共轭方法计算梯度的准确性,利用该方法进行了机翼的优化设计与反设计,都获得了较好的结果。算例证明了本文方法可靠性好,效果令人满意。     

基于伴随方法的机翼多设计点气动反设计方法

针对三维机翼多点多约束气动反设计问题,基于伴随理论方法和粘性流雷诺平均N-S方程,通过粘性流数值模拟、伴随方程与梯度精确数值求解、计算网格高效算法及梯度类优化算法等有效结合,并采用考虑多设计点梯度权重系数的并行计算近似模式,开展了一种三维机翼多设计点多约束气动反设计方法研究,进行了典型算例验证。研究表明:所发展的机翼多设计点气动反设计方法具有较好的鲁棒性及优化效率。     

二维带动力吸气式高超声速飞行器绕流的PNS-NS混合求解

为了提高吸气式高超声速飞行器绕流的求解效率,采用空间推进求解抛物化PNS(parabolizedNavier-Stokes)方程和时间迭代求解Navier-Stokes(N-S)方程的混合计算流体动力学(CFD)方法来求解高超声速飞行器整机绕流.在超声速占主导的流动区域采用空间推进求解抛物化N-S方程的方法,在亚声速和分离区采用时间迭代求解N-S方程的方法.对于求解二维带化学反应的吸气式高超声速飞行器绕流,混合CFD方法和完全时间迭代方法相比,可得到同等准确的数值模拟结果,并且求解效率提高了数倍.      

叶轮机械失速颤振的全三维数值分析方法

给出了建立在全三维N-S方程求解基础上的叶轮机械失速颤振分析的数值方法。包括用定常N-S方程求解三维粘性失速流和用三维N-S振幅方程求解三维粘性失速振荡流。为了验证方法的准确性, 用压气机环形叶栅的失速流实验和振荡叶片振荡流场的实验作了对比, 同时应用本方法分析了某30万千瓦汽轮机末级叶片的失速颤振。      

用流函数方法求解叶轮机械三维气动设计问题

将三维流动中定义于任意曲线坐标系上的两个流函数φ(x~1,x~2,x~3)和ψ(x~1,x~2,x~3)反演为x~1=x~1(φ,x~2,x~3)及ψ=ψ(φ,x~2,x~3)形式。在反演后的坐标系(φ,x~2,x~3)上导出三维流体动力学主控方程(坐标流函数方程)。该方程对于给定叶片厚度和叶片表面某气动参数(压强、速度等)分布,计算叶型坐标的问题(半反问题)易于求解。在求解差分方程时采用对x~1和ψ联立求解可得到较好的收敛性。通过算例计算表明该方法可给出满意的三维叶型坐标。     

压气机叶片流固耦合数值计算

采用流固耦合方法对压气机单排跨声叶片进行气动弹性数值模拟.首先对压气机流场进行三维定常求解,并与试验结果进行比对.在定常流场分析的基础上,进行流固耦合计算,采用非定常方法分别求解流体域Navier-Stokes(N-S)方程和固体域结构动力学方程.耦合过程中,流体域和固体域在物理边界上进行能量传递.计算结果表明:所采用的流固耦合数值方法用于判断叶轮机械叶片气弹稳定性是可行的,可以得到叶片的瞬态响应,从而判断叶片是否发生颤振.      

多级涡轮多目标气动优化设计流程

在准三维设计基础上,采用多目标优化设计方法,给出一个多级涡轮气动优化设计流程,优化联合采用人工神经网络和遗传算法,流场计算采用全三维粘性流N-S方程求解。此优化设计流程有三个特点:针对每列叶栅的气动特性进行局部优化;各列叶栅反复多次优化;粗细网格交替使用。并采用此设计流程对一三级涡轮进行优化设计,效率提高1%,说明此方法可以有效的用于多级涡轮气动优化设计。     

基于Euler方程的直升机旋翼翼型反设计方法

直升机旋翼流场的求解和贴体网格的生成是进行旋翼翼型反设计的关键,本文采用Euler方程求解直升机旋翼翼型流场,并通过求解泊松方程生成围绕翼型的网格.在此基础上,结合线化二维亚音速和超音速流的小扰动理论,采用MGM方程作为反设计方程,基于有限差分方法建立一套直升机旋翼翼型反设计的迭代方法.在给定的目标压力分布条件下,与CFD方法相结合,反设计得出满足要求的翼型,并与目标翼型吻合良好,表明本文建立的翼型反设计方法能够有效地用于直升机旋翼翼型设计.     

高负荷低压风扇三维气动设计与损失分析

在给定的限制条件下,通过从S2反问题计算出发,依靠在粗、细网格上求解三维黏性Navier-Stokes(N-S)方程的设计方法完成了某高负荷、跨声速低压风扇的气动设计.该设计方法抛弃了准三元设计对损失模型的依赖,较快的实现了跨声速风扇的气动设计.在设计结果的基础上,对风扇流场结构的分析表明,动叶顶部激波,以及激波、泄漏流和附面层的相互作用是风扇损失的主要来源.全三维的弯扭叶片设计实现了静叶的高亚声大折转角扩压流动.      

环形弯扭静叶栅流场的计算与实验研究

本文应用S2流面正问题计算方法和三维Euler方程的时间推进计算方法对某涡轮弯扭静叶栅流场分别进行了分析计算, 并在环形涡轮叶栅实验台上测试了该叶栅出口截面上气动参数的分布。通过分析、比较计算结果和实验数据, 既考核了算法, 也研究了弯扭静叶栅中的流动机理, 由此得出了对弯扭叶片的气动设计计算具有重要意义的几点结论。      

子午扩张流道中叶片积叠线形式对损失的影响

采用全三维粘性流N－S方程程序，对具有大扩张角中间机匣的某型涡轮 低压导向器叶栅中的流场进行了数值模拟。在子午面型线不变的条件下，导向器叶栅采用了10种不同变曲和倾斜形式的叶片。计算结果表明：导向器叶栅采用不同积叠线形式的叶片，对导向器叶栅出口截面上通道涡的位置，强度和尺度以及能量损失的影响是显著的，采用适度的正弯或正倾斜叶片可降低导向器叶栅的能量损失。     

一种设计亚音速叶型的解析方法

本文在近似于势、流函数的正交面上采用解析方法进行亚音速叶型设计。将改写后的无旋条件与连续方程联立求解,可在计算面上将叶型设计问题用标准拉普拉斯方程来表示。这一方法的优点是在流场计算中用解析解取代数值迭代计算过程,求解简便,节省计算机时,并为从理论上分析各种不同叶型的设计特性提供了便利条件。文中提供的算例表明,方法是有效和可行的。      

Application of immersed boundary method in turbomachines

Simulating unsteady turbulent flow in turbomachines is still challenging due to the complexity of blade geometry and relative motion between rotor and stator. This study presents an Immersed Boundary Method (IBM) for high-Reynolds turbomachinery internal flows, and shows the advantage of the automatic grid generation techniques and flexible moving boundary treatments. The wall functions are used in the present method to alleviate the wall resolution restriction of turbulence simulation. The Two-Dimensional (2-D) IBM solver, which was previously developed and tested for a low-speed compressor, is further validated for a well-documented Low-Pressure Turbine (LPT) cascade. Both the blade loading and the total pressure losses in the wake are well captured by the present 2-D solver. The complex Three-Dimensional (3-D) effects in turbomachines motivate the further development of an extended 3-D IBM solver by using a curvilinear-coordinate system that facilitates the hub and casing boundary treatment. The good performance of the 3-D solver is demonstrated through comparison with CFX solver solutions for the rotor configuration of Advanced Noise Control Fan (ANCF). Further effects of the grid resolution on capturing the blade wake are discussed. The results indicate that the present 3-D solver is capable of reproducing the evolution of the blade wake with suitable computational grid.     

叶片弯曲对气冷涡轮叶栅气动性能影响的数值研究

基于全三维N-S方程求解,采用具有G odunov性质的三阶精度TVD格式、分区算法以及自由型曲面技术,提供一种有效的方法来模拟气冷涡轮流场。在某型气冷涡轮叶片表面8个位置以及轮缘和轮毂进行喷气,并对采用直、弯叶片的涡轮流场进行了数值模拟。结果表明,叶片弯曲明显降低了有、无端壁喷气时的端部能量损失。在叶高中部喷气量较大时,弯叶片的气动性能下降较大。      

离心叶轮全三维反问题方法设计误差稳定性研究

用流线曲率全三维反问题方法和引入滑移因子模型的准三维流线曲率反问题方法设计了叶片数不同的和增压比不同的小型高速离心叶轮.用商用计算流体力学(CFD)求解器估算了这些叶轮的性能.对比了这两种反问题方法的设计误差稳定性,考察了分流叶片对设计误差的影响.结果表明,流线曲率全三维反问题方法能够根据叶片负荷对叶片设计做出恰当调整.较准三维反问题方法,流线曲率全三维反问题方法所设计叶轮的增压比普遍偏高.随叶片负荷增加,较准三维反问题方法,流线曲率全三维反问题方法的设计误差变化较小,即其设计误差稳定性明显较好.分流叶片对准三维反问题方法设计结果的影响明显较小.      

三维叶轮机叶片黏性反问题设计改进方法

提出了一种改进的适用于三维黏性流场的叶轮机叶片反问题设计方法。该方法假设叶片的中弧线具有虚拟移动速度,其位移量由目标载荷与实际载荷的差值计算,并利用黏性底层厚度进行限制。采用三次B样条曲线插值方法对叶片中弧线进行光顺,新叶型通过更新后的中弧线和给定的叶片厚度得到。算例验算结果表明:该方法能够根据设计意图对叶型进行修改,鲁棒性强,收敛速度快,叶片的可变自由度高,不依赖于特定的网格和求解器,具备一定的通用性。      

Improved aerodynamic design of turbomachinery bladings by numerical optimization

The aerodynamic optimization of a transonic compressor is reported in this paper. The Q3D Navier–Stokes solver COLIBRI is coupled to a gradient-based method (CONMIN) and to a genetic algorithm (GADO). The suction side of a 2D blade is optimized by using both optimization methods with a significant efficiency improvement. In 3D, the performance improvement is obtained by modifying the suction surface of a transonic compressor with a Bézier surface and by using the CANARI solver coupled to the gradient method (CONMIN).     

叶片全三维反问题优化设计方法

基于数值求解Navier-Stokes方程,对叶轮机械叶片全三维反问题优化设计方法进行研究.反问题给定叶片表面的静压分布反求叶型,假设叶表网格点有虚拟移动速度,迭代过程中根据叶表的实际静压和目标静压之差来修改叶型.对单排叶栅进行了反问题设计,并给出了初步的优化算例,结果能很好地满足目标静压分布,验证了该方法的有效性,计算的时间和精度也适合进行工程应用.