新的多重网格法求解离心压气机内部流场

受英国剑桥大学 Denton教授对叶轮机械数值计算的启发, 本文提出了一种新的多重网格法, 并将之与显式时间推进法、有限体积差分格式、粘性体积力法配合使用来求解离心压气机内部流场。数值计算表明, 作者多重网格法的计算结果与试验结果吻合很好, 同时该多重网格法的收敛速度比不用多重网格法加快了将近两倍, 也比 Denton多重网格法的收敛速度加快了将近 1倍。      

多重网格法求解离心压气机内部流场

本文提出了一种新的多重网格法,并将之与显式时间推进法、有限体积差分格式、粘性体积力法配合使用求解离心压气机内部流场。数值计算表明,作者多重网格法的计算结果与试验结果吻合比较好,同时该多重网格法的收敛速度比不用多重网格法加快了将近两倍。     

时间推进法求解叶轮机械内不可压流动

发展了一种用时间推进方法求解叶轮机械内部不可压流动的计算程序。在这个程序中, 使用分布体力方法简化湍流粘性的求解过程, 根据Ｂａｌｄｗ ｉｎ－Ｌｏａｍ ｘ 两层代数湍流模型确定粘性应力的大小。程序中还使用局部时间步长和多重网格数值技术加速收敛。火箭燃料主泵前诱导轮内部流场的实例计算表明, 采用这一计算程序能够正确预测叶轮机械内部不可压流场。     

多重网格法求解火焰稳定器钝头体管流问题

多重网格法是近年发展起来的一种软加速方法,用多重网格法可明显地加快数值计算的收敛速度,且网格越密其加速效果越明显。应用多重网格法求解有钝头体的火焰稳定器管内流动问题,计算结果与试验结果比较,吻合较好。     

多重网格法求解二元跨音速欧拉流

 近年来,采用时间相关欧拉方程或N-S方程求解跨音速流得到了迅速发展。为了获得二元或三元复杂形体正确的表面气动参数和足够高分辨率的流场物理特性,必须采用十分细密的网格,因而导致计算时间成倍增长。为此,除继续发展各种差分格式,探讨各种自适应网格技术外,运用多重网格技术加速收敛过程得到了国外普遍关注并取得了一定的成功。国内也已有采用多重网格法解跨音速欧拉流的文章,然而均局限于两重网格的计算。为探索多重网格法和焓阻尼技术对加速收敛的作用,我们以NACA0012翼型的跨音速流动为例,采用MacCormack两步显式格式进行了数值实验。     

多区域多重网格法在直升机粒子分离器中的应用

首次将多区域多重网格法用在一般曲线坐标系下交错网格布局的 SIMPLEC算法中,在直升机粒子分离器这类独特结构中的成功应用,突破多重网格方法在多连通域中运用的局限性,使复杂问题变得简单。结果表明,它不仅能加快流场求解的收敛速度,而且还能提高计算精度。     

跨音速翼型计算的快速方法

用全速势方程求解绕翼型的跨音速流动时常用的计算方法有:SLOR方法、BGKJ方法(快速直接/SLOR混合方法)、隐式近似因子分解(AF)方法和多重网格法等。本文用其中的两种方法:BGKJ方法和AF2方法,以NACA 0012翼型为例进行了数值实验,比较了这两种方法的收敛速度。计算时,BGKJ方法用现有的计算程序,AF2方法则用最近自己编制的程序。数值实验的结果表明,BGKJ方法较AF2方法收敛速度快。     

求解叶轮机粘性流场的再生解析数值方法

应用再生核方法求解叶轮机粘性流场是一种新颖的解析数值方法, 它可以解决计算中的存贮、计算速度和精度问题。本文给出了用再生核方法求解叶轮机粘性流场的思路和方法, 以及如何在曲线坐标系中应用再生核方法, 并给出了流函数积分方程的求解过程。最后对平面扩压管道进行了数值试验, 结果与有关文献是吻合的。      

二维折角管道内超声速流动的多重网格计算

本文应用Euler模型和隐式TVD格式计算了二维折角管道内的超声速流动问题,为了有效地模拟激波和膨胀波系的相互干扰及壁面的反射,本文试将多重网格法和TVD格式结合起来进行数值求解。考虑到目前绝大部分文章采用V-循环多重网格法,我们对多重网格法中的几种多层次循环形式(V-循环、W-循环)进行了比较性的数值计算,旨在从中发现合适的多层次循环求解的形式,以期充分发挥多重网格法在Euler方程求解过程中的效益。同时,本文也是对多重网格法和TVD格式结合求解的一次初步尝试。     

用多重网格方法计算旋翼跨声速无粘流场

发展了一种加快悬停旋翼无粘流场计算收敛速度的多重网格方法。由于悬停旋翼流场中存在不可压区域，同时旋翼尾涡系统的发展需要较长的时间，使得旋翼流场的收敛速度远低于固定翼流场，因此研究旋翼流场的多重网格算法具有重要意义。空间离散格式采用了中心有限体积方法，时间推进应用了五步龙格-库塔法。采用3层网格的V循环，对一跨声速悬停旋翼无粘流场进行了数值计算。计算结果表明：尽管多重网格方法对旋翼流场的加速收敛作用不如对固定翼流场的加速收敛效果，但是多重网格方法仍然可以显著地加快旋翼流场收敛。     

两种紊流模型在通流计算中的应用研究

为验证紊流模型在基于周向平均Navier-Stokes方程的通流计算中的适用性，本文给出了周向平均形式的Spalart-Allmaras紊流模型，并选择Baldwin-Lomax模型作为对比。通过两个经典简单算例以及两个典型叶轮机械算例对采用了上述两种紊流模型的通流模型进行验证与对比。两个经典简单算例结果表明，上述两种紊流模型在无叶片的通流模型中均能够准确预测附面层发展，捕获激波，预测分离流动。两个典型叶轮机械算例结果表明两种紊流模型对轴流式叶轮机械的子午流面气动布局以及总体气动性能具备一定的的预测能力。在单转子算例中，S-A模型的计算结果略优于B-L模型的计算结果；在双级高压涡轮算例中两种紊流模型对总体性能参数以及气流角的计算结果相差不大，且S-A模型计算的马赫数比B-L模型的偏小。     

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。      

A gradient-based method assisted by surrogate model for robust optimization of turbomachinery blades

The design optimization taking into account the impact of uncertainties favors improving the robustness of the design. A Surrogate-Assisted Gradient-Based (SAGB) method for the robust aerodynamic design optimization of turbomachinery blades considering large-scale uncertainty is introduced, verified and validated in the study. The gradient-based method is employed due to its high optimization efficiency and any one surrogate model with sufficient response accuracy can be employed to quantify the nonlinear performance changes. The gradients of objective performance function to the design parameters are calculated first for all the training samples, from which the gradients of cost function can be fast determined. To reveal the high efficiency and high accuracy of SAGB on gradient calculation, the number of flow computations needed is evaluated and compared with three other methods. Through the aerodynamic design optimization of a transonic turbine cascade minimizing total pressure loss at the outlet, the SAGB-based gradients of the base and optimized blades are compared with those obtained by the Monte Carlo-assisted finite difference method. Moreover, the results of both the robust and deterministic aerodynamic design optimizations are presented and compared to demonstrate the practicability of SAGB on improving the aerodynamic robustness of turbomachinery blades.     

叶轮机非定常气动设计的缘线匹配(I)理论与实施方法

针对缘线匹配展开理论与实施方法探讨,分析了缘线匹配潜在效益,并给出缘线匹配的两种实施方法:基于非定常流动束缚于拟流回转面假设的基元流动展向积分方法和全优化方法。分析指出:缘线匹配具有通过沿展高调协叶轮机相邻叶排非定常流动相位关系实现气动、气弹、气动噪声和热传导性能全方位、多目标优化潜力,为叶轮机非定常设计提供了新的设计自由度。     

叶轮机非定常气动设计的缘线匹配(II)数值研究

缘线匹配通过考虑多叶排叶轮机相邻叶排间前排叶片尾缘线与后排叶片前缘线空间相对位置匹配关系来进一步提升叶轮机性能,有潜力使叶轮机非定常设计走向工程实际。以一单级跨声轴流压气机和一单级轴流透平为例,尝试用基元流动展向积分方法和全优化方法改善其性能,从而示例应用缘线匹配的具体方法及前景。结果表明,缘线匹配为叶轮机非定常设计提供了可操作的自由度。     

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...     

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。     

三维分块非结构化网格上的可压缩流计算方法

提出了分块非结构化网格生成方法,通过子块划分、子块网格划分、整体网格拓扑连接生成可局部加密的分块非结构化网格,既具备了非结构化网格对复杂区域的处理能力,又避免了分块结构化网格块间信息传递的复杂计算过程.通过将密度修正值引入压力修正方程,发展了非结构化网格上可压缩流动的SIMPLE算法.对孤立翼型及透平叶栅的流动进行了数值计算,压力系数、速度、折转角的数值结果与已有的实验值吻合较好,验证了数值方法的精度.      

时间倾斜法在叶轮机械非定常模拟中的应用

应用时间倾斜法处理非定常模拟中前后两排叶片栅距不相等的问题,通过对流动控制方程的时空转换,发展了相邻两叶排任意转速下非等栅距的非定常时间精确算法,使该方法拓展为适用于超常规动/动结构叶轮机械内的非定常流动计算.在此基础上编写了完整的时间倾斜法计算程序与约化算法计算程序.对某进口导叶/转子之间静/动干涉的非定常流场进行的计算表明:与约化算法相比,时间倾斜法采用原始单通道模型,真实地反映了流场的非定常性;同时,计算量仅为全通道模拟的2/41,大大节约了计算成本.