CISA 3D Navier—Stokes程序在压气机中的鉴别和应用

用压气机叶栅试验数据、多级压气机的第4级静子计算结果和跨声速转子试验结果对CISA 3D N-S程序的计算精度进行了鉴别研究。结果表明,该程序对设计点的落后角的计算精度较高,而对损失的计算还存在一定的分散度。采用 CISA 3D N-S程序和S_2-S_1程序对一台多级压气机试验件的第3级静子进行三维造型修改设计,取得了预期的效果。     

损失及落后角代理模型在多级轴流压气机特性预测中的应用

为了提高轴流压气机设计能力,进而提高发动机的特性,需要掌握一种能够较好预测轴流压气机的压比、效率等特性的方法。结合运用三元流动理论和传统损失落后角模型计算出的压气机流场数据,利用正则化径向基函数神经网络取代经验公式搭建了一种新的损失及落后角模型,计算了E3十级高压压气机的特性;并分别研究了不进行正则化和进行正则化对损失及落后角预测的影响与其对压气机效率和压比特性预测的影响。结果表明,在多级压气机中,在训练样本区分转静子、区分转速、区分工况条件下,使用正则化的径向基神经网络代理模型在大部分情况下能够较好地预测损失、落后角及多级压气机整体特性,但是对沿叶高分布的损失及落后角预测能力还有待提高。     

适应较大叶型弯角范围的轴流压气机落后角模型

通过对多种落后角模型进行研究对比,选出其中一组,并对设计状态落后角模型重新修正,在此基础上结合S1流场计算发展了一种适用于轴流压气机落后角预测的模型.另对非设计状态落后角计算采用了修正模型.结果表明:建立的计算程序在一定的攻角范围内,对S1流场的预测结果是比较准确的,通过多组平面叶栅验证,在叶型弯角较大或者较小时,设计状态落后角模型预测精度均提高,误差范围控制在1°以内;建立的轴流压气机落后角预测模型,对多组轴流压气机设计状态落后角预测,误差都不超过2°,初步验证了模型的有效性.     

多级轴流压气机二维性能预测方法

为了满足多级轴流压气机性能预估需求,在一个流线曲率程序基础上开展了经验、半经验关系式研究。通过对文献中的损失模型进行校验及融合,建立了相匹配的损失计算模块,并改进了端壁损失计算方法;研究了利用S₁流面计算修正S₂正问题的方法,解决了基于传统平面叶栅试验数据的攻角、落后角模型与先进技术叶型之间不匹配的问题,继而发展出了一个高精度的S₂正问题计算方法。为了验证计算方法,利用3个不同负荷水平的、经试验验证的多级压气机进行了校验计算。对比表明,发展的程序对多级压气机具有很高的计算精度和稳定性,可用于多级轴流压气机性能分析。     

周向总压畸变条件下多级轴流压气机失速首发级预测分析

基于多级轴流压气机的逐级特性,发展了1种预测周向总压畸变条件下多级轴流压气机失速首发级的方法。该方法结合平行压气机模型和级叠加计算方法,以进气畸变条件下多级轴流压气机某级的有效相对气流角达到稳定状态时该级的最大相对气流角为条件,进行多级轴流压气机失速首发级的预测分析。通过对J85—13发动机8级轴流压气机总压畸变试验数据进行模拟计算,预测出该轴流压气机畸变条件下的失速首发级。     

多级轴流压气机非设计性能的数值预估

采用LU-SGS隐式解法以及叶排间掺混面模型数值模拟压气机三维粘性流动,研究了多级轴流压气机的设计与非设计状态性能的预估问题。对一台五级高压压气机进行了详细的流场数值计算,包括了设计转速的100%,90%及80%等多个转速及各种工作状态。结果表明,本文所建立的数值方法与计算机程序对多级轴流压气机各种非设计状态的计算都具有收敛容易和快速的优点,计算得到的压气机总性能和各分级性能与设计参数进行了对比,证明该方法和程序的预估结果是比较准确的。根据设计转速下的计算结果,预估了压气机设计点的喘振裕度。此外,还对不同状态下叶片进口气流角的变化进行了分析。      

用于低速模拟试验的低速模型压气机气动设计

介绍了旨在改善高压压气机性能的低速模拟试验方法,及其在国内外的发展情况。在参考国外成功经验的基础上,基于一定的相似准则,摸索出了一套低速模型压气机的设计方法。为了验证该方法的可行性,针对某方案设计的高压压气机后面级设计了一台4级重复级低速模型压气机。借助全三维黏性流场计算,证明该压气机模拟级进、出口各主要气动参数沿径向的分布,以及转子、静子叶片表面压力系数的分布与高压压气机的被模拟级是一致的。从数值计算的角度初步证明了利用该方法设计低速模型压气机是可行的。     

轴流压气机考虑展向掺混的数值计算

为了更加准确地反映压气机内部流场的展向分布特性并提高计算精度,基于流线曲率法发展了1种考虑压气机内部展向掺混作用的计算方法。应用Gallimore-Cumpst y(G-C)掺混模型模拟紊流扩散的作用,在2维Cart er公式基础上引入改善的Rober t s修正模型对落后角进行预估,通过落后角反映二次流的作用,并对3级轴流压气机3S1进行了计算分析和比较。结果表明:不考虑掺混因素时所得计算数据的展向分布情况与实际流场相差较大;只有同时考虑紊流掺混和二次流2种因素,才能得到最优结果。该方法能够较好地模拟轴流压气机的展向掺混作用,得到更加贴近实际的气动参数分布,可为压气机设计和优化提供参考。     

基于一维模型的跨声速轴流压气机特性预测研究

为发展一套对于现如今多级跨声速轴流压气机特性预测较为精准、快捷的计算程序,选取了合适的压气机参考攻角模型,建立了适用于双圆弧大弯角叶型的设计点/非设计点落后角模型。采用某套大弯角平面叶栅在多个工况下的实验数据对新建立的落后角模型进行校验,并将攻角、落后角模型嵌入到HARIKA算法中,实现对HARIKA算法原模型的替换,用新建立的HARIKA算法和三维数值计算软件NUMECA对某型两级跨声速轴流压气机在设计/非设计转速下进行特性计算。结果表明：本文建立的落后角模型对于叶栅出口气流落后角预测值与实验值较好地吻合,平均误差为0.42o,预测误差较小。新的HARIKA算法对于压气机特性的预测结果相比于三维数值计算结果更贴近于实验值,其中压比最大预测误差2.54%,效率最大预测误差3.68%,总体预测误差较小,证明本文建立的非设计点落后角模型具有一定的准确性与适用性,改进后的HARIKA算法在多级跨声速轴流压气机特性预测方面具有一定的工程实用性。     

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.      

多级轴流压气机彻体力模型——三维应用

利用基于彻体力模型建立的时间推进三维计算模型,获得了某单级跨声速压气机在周向总压进气畸变下的总体特性及流场分布,并与相关试验数据进行对比,以验证该模型的准确性及可靠性。随后利用该模型详细分析了进口分别存在周向总压进气畸变及对涡旋流畸变下某四级低速轴流压气机内部流场特征。单级跨声速压气机总体特性的计算结果与相关试验数据的相对误差不超过2%,且内部流场参数的分布特征也与试验结果相吻合。四级低速轴流压气机的计算结果反映周向总压进气畸变导致压气机气动性能及稳定性恶化,对涡旋流进气畸变则影响有限。同时揭示了不同形式的进气畸变在多级轴流压气机内部的传递过程,充分说明该模型在进气畸变这类工程问题中的广泛应用前景。      

基于低雷诺数条件的风扇/增压级气动设计

本文针对低雷诺数工作条件下的某风扇/增压级进行了通流设计、流道结构设计、各叶片排叶片几何设计及三维数值模拟。在完成气动设计循环、确定风扇/增压级流道结构形式和叶片叶型几何造型等根据设计需求进行的工作之后,使用商用软件NUMECA对该风扇/增压级12 km、0.6 Ma飞行条件100%和95%折合转速以及地面标准大气条件86.6%(简称87%)和80%折合转速的特性曲线进行了数值计算。前者用于考察巡航状态性能及流场特征,后者对应于地面起飞的最大状态。就目前设计方案的三维数值模拟结果表明,外函完全达到了设计需求指标的要求,内函除效率外,其它均达到设计要求。     

基于并行遗传算法压气机叶片自动优化设计

结合小生境法与算子自适应法对基本遗传算法进行改进,采用WinSock接口、多线程、CS体系结构,实现并行遗传算法.将并行遗传算法与NS方程流场计算方法、Hicks-Henne函数叶型参数化方法结合构成叶型自动优化设计软件,软件可用于叶型设计和对已有叶型的改进.在构造目标函数时,根据工作攻角范围,构造了考虑非设计点性能的目标函数.分别对进口马赫数为0.5和0.9左右的叶栅采用三台计算机进行并行气动优化设计,优化叶型设计点和非设点性能都明显好于原始叶型.     

轴流压气机非设计点性能计算

采用流线曲率法数学模型,结合跨声速轴流压气机的内部流场特征,拓展了一种非设计点特性计算方法.该方法基于近年来的国内外研究进展,考虑了非设计点工况下影响落后角及损失的诸多因素.对轴流跨声速压气机NASA(National Aeronautics and Space Administration)TP1669进行了数值计算,得到了展向参数分布和全工况下性能曲线,通过与实验值的对比和分析证明该方法和模型是可行的,可为压气机设计和优化提供参考.      

轴流压气机试验若干异常气动现象表征与机理分析

在梳理某压气机试验器开展的历次压气机性能试验结果基础上,分析了试验系统发生的若干典型异常气动物理现象,通过试验数据表征分析与抑制方法试验验证,初步揭示了压气机试验异常气动现象的形成机制.研究结果表明:进口局部导叶角度失调会对下游流场产生扰动,导致压气机性能与稳定性出现恶化;转子顶部容腔通道逆流是导致压气机转子前外壁静压测量值偏高的原因,通过抑制容腔逆流可以改善压气机气动性能;改变进口节流比观察换算流量是否发生变化,是判定压气机试验进气系统漏气问题的有效方法.研究结果对于指导压气机性能试验故障诊断和提高试验分析能力具有重要作用.      

压气机二次流及其控制

本文是压气机二次流研究的总结。文中概述了压气机端壁角区流动,二次流与叶片颤振,二次流控制等问题的研究结果,这对于了解压气机真实流动和建立新的物理模型提供了一些重要信息,对于工程应用亦有一定价值。      

跨声速轴流压气机特性预测的损失模型研究

基于公开发表的研究成果,完善了1种新的跨声速轴流压气机总压损失及落后角预测模型,并发展了相应的跨声速轴流压气机非设计性能分析方法,建立了相应的计算机模拟程序。对2个跨声速轴流压气机的设计及非设计性能进行了数值模拟,对所得计算结果与试验结果的比较表明,本模型与分析方法能够应用于工程计算。     

雷诺数效应对小流量多级轴流压气机的性能影响

通过试验和数值模拟,对一台设计压比为6,效率0.84的小流量轴流压气机进行了雷诺数效应的分析和研究。介绍了这台压气机在设计转速下的性能曲线、不同雷诺数下折合转速n=0.85的试验结果,以及二维平面叶栅和三维数值模拟分析结果。试验和数值模拟的分析表明,随着雷诺数降低,会增加附面层厚度,改变压气机的三维流场结构,降低压气机的性能。根据折合转速n=0.85的试验和数值模拟分析结果,对这台压气机在折合转速n=1.0性能进行了雷诺数修正。      

插板进气畸变与压气机的耦合数值模拟

为了探索进气道/发动机一体化设计方法,发展了一种压气机与进气畸变耦合计算的方法.首先从压气机基准流场雷诺平均Navier-Stokes(RANS)仿真结果中提取压气机叶片对气流的作用力,建立压气机全通道体积力模型.再将压气机体积力模型加入到流体计算软件CFX中,实现插板进气畸变与压气机的耦合计算.与实验结果对比表明:压气机体积力模型能有效模拟压气机与上游畸变流场的耦合作用,相比传统的全通道RANS计算能减少近2个数量级的计算网格数.