Experimental investigation of characteristics of instability evolution in a centrifugal compressor

The stable range of operation for the centrifugal compressor significantly influences the dynamic, economic, and environment-friendly characteristics of power systems. A deep understanding of the characteristics of instability evolution is necessary to improve the compressor stability. A centrifugal compressor equipped with a vaneless diffuser is experimentally investigated using highresponse static-pressure measurements. The results obtained indicate that three typical rotationalspeed ranges ex...     

叶尖间隙分布对内燃机增压压气机性能影响

采用三维CFD(计算流体动力学)方法,对两种相反叶尖间隙分布方式的无叶扩压器压气机级进行了详细流场分析,研究了叶尖间隙分布对跨声速离心压气机叶轮及扩压器性能的影响机理.结果表明,非均匀分布弦向间隙分布叶轮有较宽的稳定工作范围;出口轴向间隙小于进口径向间隙的压气机级压比和效率明显高于出口轴向间隙大于进口径向间隙的压气机级.较小的出口轴向间隙削弱了叶轮通道后半段间隙流动,显著提高了叶轮后部做功能力,获得更高的级压比;并使叶轮后部间隙涡强度及涡在叶轮通道和扩压器通道内耗散损失小,压气机级效率更高.      

离心压气机无叶扩压段流路控制扩稳机理

为寻求叶轮-扩压器间无叶扩压段流路控制的扩稳机理,选取某离心压气机为研究对象,利用数值模拟的方法,通过流场分析解释其失速机理,并在此基础上重新设计无叶扩压段机匣结构,探讨一种有效流路控制扩稳方式.分析结果表明:将无叶扩压段机匣结构设计为先收缩后扩张型后,离心压气机稳定工作范围提高了2.8%,但绝热效率有所降低.      

基于小波神经网络的无叶扩压器失速分析

用来自不同文献的实验数据作为样本,对小波神经网络进行训练,并利用训练好的神经网络研究叶轮和扩压器几何尺寸对无叶扩压器失速的影响.计算分析结果表明:几何尺寸对于宽、窄扩压器失速的影响表现不同,这也证明了不同宽度的扩压器的确存在不同的失速机理.文章的结果,对无叶扩压器的设计具有一定的借鉴意义.      

扩压器对基本级性能的影响

使用数值方法和试验手段研究了带无叶扩压器和不同进口安装角的叶片扩压器对基本级的性能影响.针对带无叶扩压器的基本级，重点研究了近喘振点、设计点、近阻塞点3种工况的内部流动特性，结果表明近喘振点的叶轮叶片进口、叶轮叶片出口、回流叶片背面均存在低速涡流区，而设计点和近阻塞点的流动状态良好，对于近阻塞点，流动速度较大引起的摩擦阻力损失增大，导致了基本级多变效率下降很快；对带单圆弧叶片扩压器的基本级，细致地研究了匹配不同进口安装角的单圆弧叶片扩压器对喘振裕度、阻塞裕度和效率的影响，结果表明:在出口安装角不变的情况下，扩压器进口安装角比设计值降低3°，基本级的多变效率和多变能头系数达到最佳值.      

离心压气机无叶扩压器旋转失速实验研究

人们通常把呈现准同步的旋转速度脉动这种不稳定流动现象定义为旋转失速。当压气机的流量减小到一定程度会出现这种现象。它使得压气机的性能下降,甚至可构成激振源,限制了压气机的运行范围。因此研究失速的特征对设计和运行压气机有一定的指导意义。      

离心叶轮出口与无叶扩压器内部流动特性的DPIV实验研究

在叶轮转速n＝1500rpm对应的设计工况下,利用两维数字式粒子图像速度场仪(DPIV)对风机模型从叶轮出口至无叶扩压器区域内部流动状态进行整场测量,在"锁相"状态下获得沿扩压器宽度方向上三个径向面的瞬态速度场、涡量场的分布,并进一步对时均流场的流动特性进行全面讨论.测量结果表明:设计工况下,叶轮出口流动呈现典型的"射流-尾迹"流动结构,其对无叶扩压器内部流动状态具有深刻的影响.旋涡由叶轮叶片表面边界层的粘性切应力产生,并随流动被输运至下游无叶扩压器,然后随着流动的均匀化而逐渐消失.涡量的分布及变化反映了无叶扩压器内部流体相互掺混和能量传递、重新分布从而达到均匀化的过程.随着半径的增加,尽管无叶扩压器内流动在圆周方向亦逐渐趋于均匀化,但沿宽度方向的差距未得到改善,这将导致沿轴向α不变原则设计的叶片扩压器的二元叶片无法避免冲击损失.     

Mechanism of stall and surge in a centrifugal compressor with a variable vaned diffuser

To expand the stable operating range of compressors, understanding the mechanism of flow instability at low flow rates is necessary. In this paper, the mechanism of stall and surge in a centrifugal compressor with a variable vaned diffuser is experimentally investigated, where the diffuser blade setting angle can be adjusted. Many dynamic pressure transducers are mounted on the casing surface of the compressor. From the design condition to surge, dynamic pressure data is recorded throughout the gradual process. According to the signal developing status, the typical modes of compressor instability are defined in detail, such as stall, mild surge, and deep surge. A relatively high-frequency stall wave originates in the impeller and propagates to the diffuser, and finally stimulates a deep surge in the compressor. The compressor behavior during surge differs at different diffuser vane angles. When the diffuser vane angle is adjusted, both the unstable form and the core factor affecting the overall machine stability change. A specific indicator is proposed to measure the instability of each component in a compressor, which can be used to determine the best region for stability extension technologies, such as a holed casing treatment, in different compressor applications.     

带气腔的离心压缩机旋转失速的三维数值模拟

使用商业CFD计算软件CFX求解三维雷诺平均的Navier-Stokes方程组, 结合出口气腔模型对某带无叶扩压器的离心压缩机的旋转失速现象进行数值模拟.首先使用定常计算得到了该离心压缩机的稳态性能曲线, 并和实验测量值进行了比较.然后引入出口气腔模型, 模拟离心压缩机内的旋转失速流动.在小流量下, 从矢量图和径向速度等值线图中观察得到了离心压缩机内部流场的非定常流动现象.还研究了气腔模型不同参数对失速流动的影响, 结果表明气腔体积越大, 计算得到的失速频率越低.      

进口管道对离心压气机性能影响的数值模拟

用数值模拟研究了不同进口管道对离心压气机性能的影响.计算模型包括进口管道、离心叶轮、无叶扩压器、蜗壳和出口管道.计算结果表明, 不同的进口管道导致离心压气机的实际性能曲线明显变化.当进口管道较长和直径较小时, 其对应的压比和效率较低, 堵塞流量较小, 这是因为进口管道改变了进口处的攻角条件.如果比较压气机的折合性能, 则进口管道的影响相对较小, 但当进口管道较长以及直径较小时, 对应的折合堵塞流量仍然较小.      

离心压缩机两区域模型改进与验证

离心压缩机一维预设计中，准确的性能预测可以有效地缩短设计周期，提高设计效率。为了提高性能预测的准确性，在传统两区域模型的基础上，引入外界能量输入与叶轮旋转效应，提出一种叶轮扩压度计算模型，并结合无叶扩压器的特点，将两区域模型应用于无叶扩压器性能预测中。通过与文献中已有的实验结果进行对比，验证了改进模型的可用性。对比结果表明:改进的两区域模型有效减少对工程经验的依赖性，可以实现不同压比、不同后弯角离心压缩机性能预测，总体预测精度较高，与实验数据偏差在4%以内。      

一种基于共轭方程法求解黏性反问题的简化方法

 对于给定压力分布的黏性气动反问题,考虑到壁面微小扰动造成的压力变化主要由势流作用引起,因此可以简化用以获得目标函数对设计变量敏感性导数的共轭方程。将黏性流场插值到粗网格中作为彻体力模型方程的解,则其相应的共轭方程将以简单的源项取代原方程中复杂的黏性项。由于在粗网格中求解,网格数减少,同时收敛速度加快,简化的共轭方程计算时间可以减少到黏性方程的十分之一。典型的算例结果表明,对于附着的边界层流动简化方法计算得到的敏感性导数具有较高的精度,能够有效完成反问题设计且减少总的计算耗时。     

离心压气机不稳定流动的时频特征分析

离心压气机失稳过程是一个非常复杂的动态过程,提高离心压气机运行的可靠性需要准确获取失稳过程的时频特征。针对带无叶扩压器的高速离心压气机失稳过程中叶轮出口的动态压力数据,采用时空本征模态分解(STIMD)算法和经验模态分解(EMD)算法进行分解,得到了多个本征模态函数(IMF),并结合Hilbert变换对不稳定流动的动态特征进行分析。结果表明,STIMD算法得到了深喘和浅喘的时频信息,观察到了频率在150 Hz附近持续波动的失速现象,并捕捉到了浅喘先兆的频率曲线由抖动向恒定的过渡过程。STIMD算法改善了EMD的模态混叠问题,为压气机失稳分析提供了一种工具。     

Instability characteristics of a co-rotating wingtip vortex pair based on bi-global linear stability analysis

The Stereo Particle Image Velocimetry (SPIV) technology is applied to measure the wingtip vortices generated by the up-down symmetrical split winglet. Then, the temporal bi-global Linear Stability Analysis (bi-global LSA) is performed on this nearly equal-strength co-rotating vortex pair, which is composed of an upper vortex (vortex-u) and a down vortex (vortex-d). The results show that the instability eigenvalue spectrum illustrated by (ω_r, ω_i) contains two types of branches: discrete branch and continuous branch. The discrete branch contains the primary branches of vortex-u and vortex-d, the secondary branch of vortex-d and coupled branch, of which all of the eigenvalues are located in the unstable half-plane of ω_i > 0, indicating that the wingtip vortex pair is temporally unstable. By contrast, the eigenvalues of the continuous branch are concentrated on the half-plane of ω_i < 0 and the perturbation modes correspond to the freestream perturbation. In the primary branches of vortex-u and vortex-d, Mode P_u and Mode P_d are the primary perturbation modes, which exhibit the structures enclosed with azimuthal wavenumber m and radial wavenumber n, respectively. Besides, the results of stability curves for vortex-u and vortex-d demonstrate that the instability growth rates of vortex-u are larger than those of vortex-d, and the perturbation energy of Mode P_u is also larger than that of Mode P_d. Moreover, the perturbation energy of Mode P_u is up to 0.02650 and accounts for 33.56% percent in the corresponding branch, thereby indicating that the instability development of wingtip vortex is dominated by Mode P_u. By further investigating the topological structures of Mode P_u and Mode P_d with streamwise wavenumbers, the most unstable perturbation mode with a large azimuthal wavenumber of m = 5–6 is identified, which imposes on the entire core region of vortex-u. This large azimuthal wavenumber perturbation mode can suggest the potential physical-based flow control strategy by manipulating it.     

进气对某回流燃烧室性能影响的试验

为了解不同进口气流角对某回流燃烧室性能影响,进行了回流燃烧室性能试验.结果表明:不同的进口气流角度对回流燃烧室的出口温度分布影响不同,回流燃烧室中装配30°整流叶片的轴向扩压器时出口温度分布系数是无整流叶片的轴向扩压器时的1/2,而径向温度分布系数比无整流叶片的轴向扩压器时小得更多.不同的进口气流角对点火性能也有较大影响.      

离心压气机失速模式及自循环机匣处理的作用机制

通过对离心压气机不同转速下实壁机匣和处理机匣两种状态流场的数值模拟,研究了失速模式随转速的变化及不同失速模式下机匣处理作用机制的转变.结果表明:随转速的降低,失速模式由100%设计转速时的扩压器失速逐步向导风轮失速过渡,导风轮失速也经历了由80%设计转速时的端壁失速和叶片前缘失速向50%设计转速的通道大范围完全失速的发展过程.自循环机匣处理对离心压气机失速裕度和效率的影响都与失速模式紧密相关,其扩稳作用仅对80%设计转速时的叶片前缘失速有效.在80%左右设计转速,机匣处理使主流效率有朝大流量工况点变化的趋势,从而使效率降低.当转速低至50%设计转速时,主流通道形成大范围回流区,机匣处理的二次回流可以减少叶轮对通道回流区气流的做功量,从而提高效率.      

扩压器流场分离的涡控技术研究

 大扩张角扩压器流场分离将严重影响扩压器性能和出口流场分布的均匀性。研究采用涡控技术抑制扩压流场的分离,其涡控方案是在扩压壁面设计“涡穴”,在气流流动时产生旋涡,“涡穴”内的旋涡与扩压流场相互作用,改变了扩压流场中的速度分布,增加了附面层内的动量,从而抑制了分离的形成。研究了“涡穴”几何尺寸对抑制效果的影响。试验证明:在合适的“涡穴”设计下,“涡穴”旋涡具有明显的抑制分离的作用,并以流场参数的测定分析了涡控机理。     

排气扩压器对高空舱压的影响与控制方法

为研究排气扩压器流动特性对高空舱后舱压力控制的影响,采用ANSYS191对排气扩压器进行数学建模和流场数值模拟分析,揭示其内部实际流动的物理过程;在次流质量流量为20 kg/s时,数值模拟不同排气扩压器背压和主流流量时后舱压力的变化规律,并通过样条插值得到排气扩压器背压、主流流量和后舱压力三者关系模型;建立高空舱后舱压力控制系统仿真模型,分析在不同调节模式和不同控制方法下排气扩压器流动特性对压力调节的影响。结果表明:发动机喷嘴出口处速度最大,混合后速度迅速下降,下降了约88%,而压力沿着排气扩压器轴向逐渐增大,最后趋于边界值。在发动机过渡态试验中,排气扩压器流动特性对后舱压力控制系统扰动很大,线性PID(proportion integration differentiation)控制难以保证后舱压力高精度、强抗扰的调节品质要求,而非线性PID控制不仅能减小排气扩压器流动特性对压力调节的影响,抑制发动机流量扰动,而且能保证瞬态响应快,超调量小,调节精度高。      

Adjoint boundary sensitivity method to assess the effect of nonuniform boundary conditions

The performance of turbomachinery is largely affected by the nonuniform boundary conditions caused by the coupling between neighboring parts, such as the inlet distortion and hot streak. Existing works study this problem by comparing the flow fields with uniform and nonuniform boundary conditions, which is cost extensive. In this work a new and efficient method is developed by computing the sensitivities of arbitrary performance metric relative to the boundary conditions and this method quantita...     

HyTRV流场特征与边界层稳定性特征分析

高超声速转捩研究飞行器（HyTRV）是为研究三维复杂外形的边界层转捩问题而设计的一款具备真实飞行器典型特征的升力体标模。为支撑更加全面系统的理论分析、数值模拟、风洞试验和飞行试验研究,采用高精度数值模拟方法、线性稳定性理论（LST）和e^N方法对HyTRV标模的典型流动特征和边界层失稳特征进行了分析。研究表明,HyTRV展现出多个相对独立的横流区域和多个流向涡结构;HyTRV的边界层存在横流失稳模态、第二模态、附着线失稳模态等常见模态。横流失稳模态出现在周向高低压区之间的横流区域,能够主导转捩发生;横流区域同时也存在第二模态,其N值普遍比横流失稳模态小;附着线失稳模态呈现出第二模态特性,且频率非常高。还研究了攻角和单位雷诺数的影响。结果表明,随着攻角增加,标模下表面中心线的流向涡结构逐渐消失,横流雷诺数逐渐减小;上表面流向涡结构逐渐从腰部移向顶端,并出现新的流向涡结构。增加攻角,所有失稳模态的N值总体上逐渐减小;增加单位雷诺数,N值显著增加。基于研究结果,针对流向涡失稳、横流失稳、第二模态和附着线失稳等给出了研究建议。