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.      

三维跨声速多级压气机内确定应力耦合问题研究

为开展确定应力耦合效果的研究,基于三维定常Denton程序发展了三维非定常计算程序,以多级跨声速压气机近失速点为算例,进行确定应力耦合精度的研究。除定常计算和非定常计算外,还采用了三种计算方式,分别是多级环境下非定常时均方程耦合确定应力的解(COU2),提取非定常精确解时均的值作为S2进口边界条件进行单独S2计算域的定常计算(ST1);在ST1基础上耦合确定应力的解(COU1)。结果表明:三维压气机算例中出口总压和马赫数的径向曲线对比显示COU1的误差水平分别为ST1的53%和34%;验证了确定应力项的耦合可以使定常计算的结果更接近非定常计算的时均解;对比发现ST1计算精度较COU2高,误差水平分别降低至37%和32%。说明在该算例中精确的边界条件比精确的确定应力发挥更大的作用。非定常时均结果中近压力面的熵值比近吸力面的熵值要高,反映出非定常相互作用中上游尾迹向压力面迁移的效应,Adamczyk时均方程耦合确定应力后得到了类似的结果。     

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.     

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.      

三维跨声速多级压气机中的非定常压力频域分析

为揭示跨声速多级压气机中非定常压力的脉动频谱结构,基于三维定常Denton程序发展了三维非定常计算程序,对三维跨声速多级压气机近失速点进行了定常与非定常数值模拟,并在此基础上对三个典型径向截面的非定常压力进行了频域分析。结果表明:通过对非定常频域图谱的研究,从一个全新的视角来分析非定常流场,可以看到在时域流场中很难直观看到的出口数值反射等现象;在压气机静子的结构设计中,如果某级静子后续的转子工作在跨声速工况下,则该级静子尾缘处会受到较大的非定常气动力作用;多级压气机中后面级叶排频谱结构较为丰富,通过频率的4倍频振幅分量依然较大,在进行动态压力传感器的选型时需要考虑这点。     

离心压气机确定应力场分析

采用定常和非定常数值模拟技术,研究了某跨声离心压气机内的固有非定常流动.对比分析了定常流场和非定常时均流场之间的差别,着重分析了通道内确定应力的分布规律以及交界面确定应力的分布特点.结果表明,叶轮和扩压器中的确定应力在数值上相当,通道内的确定应力沿周向分布有较大的梯度、沿流向分布的总体趋势是从交界面向两侧迅速衰减,交界面处的确定应力和其空间相关项之间在数值上存在一定的偏差.      

两种跨声速气动弹性问题分析研究

在非结构运动网格基础上,采用中心有限体积法进行空间离散和双时间方法进行时间推进求解非定常欧拉方程.通过与气动力方程的联立求解,在时域内用四步龙格-库塔方法求解结构运动方程.分析和研究了二维嗡鸣和三维机翼颤振这两种跨声速非线性气动弹性问题.二维嗡鸣问题的研究考虑了翼面-舵面系统的缝隙间网格运动、缝隙对嗡鸣的影响和扰流片对嗡鸣的抑制.耦合多自由度Lagrange结构运动方程数值模拟了三维机翼的颤振问题.通过跨声速标模算例AGARD445.6机翼的颤振计算,计算的颤振临界速度与实验值有5%左右的误差,验证本方法的正确性.由于本方法是在对外形具有良好普适性的非结构动网格基础上完成的,具有良好的工程实践价值.     

畸变进气下压气机三维黏性数值计算模型

通过对压气机环形无叶片通道求解带源项的N-S(Navier-Stokes)方程,实现对压气机全通道流场的计算,建立了压气机三维黏性非定常数值计算模型.源项是由三维计算流体动力学(CFD)求解器定常计算的气流参数计算得到,求得不同工作点源项大小,然后根据进口参数对源项插值得到当前计算点源项.采用该模型对某跨声速单级压气机在均匀进气下性能和流场的计算结果与实验结果进行了对比,两者能够较好的一致,验证了模型的可靠性;之后应用该模型对周向总压畸变进气下的流场和性能进行了计算,分析了畸变进气对压气机三维流场和性能的影响,并引入压气机失稳判据分析畸变对压气机稳定性的影响.      

某小型涡喷发动机二维数值仿真

整机二维仿真模型由带有粘性项的二维欧拉方程,燃烧模型和损失模型构成.利用任意曲线坐标系来适应复杂几何边界计算,采用隐式高阶精度Godunov格式求解非定常欧拉方程,能够自动捕捉激波,数值稳定性高.计算的总性能参数与设计值对比显示:单部件的仿真精度高于整机,涡轮仿真精度高于压气机.子午平面上的计算结果分析表明:离心压气机出口处的分离流动、燃烧室掺混孔的简化对总性能参数计算结果影响较大.     

跨音压气机确定应力场分析

采用全三维黏性定常、非定常数值模拟技术,对NASA 67第1级的固有非定常流动进行了研究.首先分析了定常流场和非定常时均流场间的差别以及压气机中典型的转、静干涉现象,然后对通道内确定应力的分布规律和转、静交界面确定应力各项的分布特点进行了较为深入的研究,揭示了现有确定应力模型的一些局限性,可为确定应力建模提供一定的指导作用.     

Validation of a novel mixing-plane method for multistage turbomachinery steady flow analysis

The steady calculation based on the mixing-plane method is still the most widely-used three-dimensional flow analysis tool for multistage turbomachines. For modern turbomachines, the trend of design is to reach higher aerodynamic loading but with still further compact size. In such a case, the traditional mixing-plane method has to be revised to give a more physically mean-ingful prediction. In this paper, a novel mixing-plane method was proposed, and three representa-tive test cases including a transonic compressor, a highly-loaded centrifugal compressor and a high-pressure axial turbine were performed for validation purpose. This novel mixing-plane method can satisfy the flux conservation perfectly. Reverse flow across the mixing-plane interface can be resolved naturally, thus making this method numerically robust. Artificial reflection at the mixing-plane interface is almost eliminated, and then its detrimental impact on the flow field is min-imized. Generally, this mixing-plane method is suitable to simulate steady flows in highly-loaded multistage turbomachines.     

非定常动静叶干涉作用的二维数值模拟

采用涡方法研究叶轮机内动、静叶间的相互作用,它利用全三维的、通道时间平均的定常解为基础解,并由此给出非定常扰动场的初始解。为计算叶片对扰动场的响应过程,采用拉格朗日方法追踪扰动涡团的对流流动过程,用确定性涡方法来描述流体的粘性扩散过程。用该方法对某型压气机的一级（动、静叶栅距比为１．７４）的动、静叶相互作用,进行了二维有粘问题的数值模拟。数值结果表明,该方法具有较好的收敛性和收敛速度;转子出口的尾迹和各种旋涡等非定常因素在静叶通道中的切割、迁移过程,非定常性对静叶攻角的影响以及脉动压力的振幅衰减特性也在文中作了分析。     

高负荷压气机叶栅内三维旋涡结构及其形成机理的研究进展

压气机内的三维流场中存在着复杂的旋涡运动及气流分离,这些复杂的流体运动影响着压气机的高效及稳定运行,有必要了解并掌握压气机内旋涡结构的产生与发展机理。本文首先回顾了叶轮机械内经典的旋涡模型,重点综述了压气机叶栅旋涡模型的研究成果。然后,详细介绍了在矩形扩压叶栅和跨声速压气机静叶的旋涡结构方面取得的阶段性研究成果,分别讨论了三维旋涡结构的三种研究方法,验证了数值计算获取叶栅旋涡结构的可靠性,阐述了高负荷矩形扩压叶栅旋涡结构与流动损失的关联性,建立了跨声速压气机静叶三维定常旋涡结构模型,揭示了压气机静叶失速过程的涡动力学机理,并分析了非定常因素对静叶旋涡结构的影响规律。最后,针对今后在压气机旋涡结构的发展中会遇到的技术挑战和未来的发展方向做了几点展望。     

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。     

任意回转面亚、跨音流场计算方法

本文所设计的任意回转面亚、跨音流场的计算软件 ,能根据叶型和进出口条件分析流动特性 ,并自动选择精确和节省机时的合适的数值解法。用户在给出叶型坐标和定解条件后 ,可以得到叶面马赫数分布或压力分布 ,全流场的等马赫数或等压图     

单级跨声速压气机进气畸变数值模拟

基于彻体力模型的基本思想,发展了一套能够反映进气畸变对风扇/压气机气动性能影响的三维数值计算程序CSAC.首先详细研究了彻体力模型的具体建模方法,然后发展了相应的三维数值计算程序.利用该程序针对某单级跨声速压气机在均匀进气下的流场进行了计算验证,计算结果与雷诺平均Navier-Stokes(RANS)计算吻合得很好,流场主要参数分布与相关实验数据也有很好的一致性.利用该程序分别计算分析了进口存在稳态周向总压畸变及周向总温畸变的全环三维畸变流场,结果表明:压气机进口畸变流场存在大尺度、强三维特征,将导致压气机总压比及稳定裕度下降.所有计算结果均显示该模型能够在降低对计算资源和工程经验依赖的同时,有效分析进气畸变对压气机特性的影响.      

单级跨音速压气机三维非定常粘性流动计算

本文以数值求解雷诺平均非定常N-S方程方法完成了单级跨音速压气机动静叶相干三维非定常粘性流动计算,给出了高分辨率NND格式的时间推进有限差分解。对某跨音速单级压气机进行了定常和非定常流的详细数值计算,设计转速下定常粘性流场计算所得到的性能参数与实验结果吻合较好。在此基础上,对最高效率状态进行了动/静叶相互干扰的非定常流动计算,并对结果进行了分析。      

离心叶轮与扩压器相互干扰数值模拟

采用定常与非定常数值模拟方法,对某小型离心压气机进行数值计算,首先比较了定常结果与非定常时均结果的特性;然后结合离心叶轮出口和径向扩压器进口典型位置非定常压力脉动的频域特性,研究了离心叶轮与扩压器之间的转静干涉作用;最后着重分析了离心叶轮带与不带分流叶片对径向扩压器进口压力脉动频率特性的影响。结果表明:在相同流量下,非定常时均结果的压比偏高约3.7%,效率偏高0.1%;在带有分流叶片的离心压气机中,离心叶轮叶片出口与扩压器叶片进口的脉动除了叶片通过频率的非定常脉动外,分流叶片尾缘会产生与之强度相当的2倍叶片通过频率的非定常压力脉动。同时,分流叶片会对径向扩压器进口产生更强的0.5倍叶片通过频率非定常压力脉动,这些频率的非定常压力脉动很可能会对离心压气机叶片的疲劳强度造成影响。