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。     

叶轮机非定常气动设计的缘线匹配技术

本文提出一种新的叶轮机气动设计自由度——缘线匹配技术。缘线匹配是指相邻两叶排中前排叶片后缘线与后排叶片前缘线的空间关系,更准确地说是其相位角关系。叶片尾缘线表征了叶片出口气流的分布型,它囊括了尾迹、激波、二次流等所有影响,另一方面,叶片前缘线代表了其对上游流场的势干扰。定常气动设计体系只能部分考虑叶片缘线的相互影响,大部分则被忽略了,然而在非定常框架下,相邻叶排缘线所代表的相互影响是显著的。本文首次提出了叶轮机非定常设计的缘线匹配技术,并通过理论分析及直列涡轮叶栅的非定常数值模拟结果展示了缘线匹配技术在未来提高叶轮机气动性能、气弹性能、气动噪声和热传导性能上的潜在能力。作者认为,缘线匹配技术将使叶轮机的非定常气动设计具有真实而可操作的内容,是叶轮机非定常气动设计的核心技术之一。      

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(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。     

非定常流动对叶片表面负荷分布影响的数值模拟研究

叶轮机内部非定常流动与叶片表面负荷分布之间的关系对于叶轮机的设计非常重要。本文利用数值模拟手段对单级轴流涡轮内部非定常流动进行了模拟，研究了上游叶片排尾迹和位势作用对下游叶片表面负荷分布的影响，并分析了尾迹在下游叶片通道内的演化图画。计算结果表明涡轮级环境中，上游叶片排的尾迹等对通道内部流动，叶片边界层流动损失的产生、发展和输运，以及下游叶片表面吸力面负荷分布产生明显的影响，需要在设计中加以考虑；本文还探讨了非定常效应应用于设计的可行性和思路。     

叶轮机计算流体动力学技术现状与发展趋势

 通过对 863高负荷风扇、2 0 0MW汽轮机组改进、组合压气机改进和轴流大小叶片压气机的研制,说明了全三维定常CFD技术在我国叶轮机研究中的作用,并指出了当前的主要问题;通过对风扇 -吊架干扰,单级压气机和处理机匣的研究,说明了非定常CFD技术对叶轮机气动力学研究的作用和价值。结合上述全三维定常和非定常CFD应用的实例,论述了我国叶轮机CFD技术面临的挑战,及其发展趋势。     

轴径流组合压气机中动叶尾迹与势流叠加特性的数值研究

对一级轴流和离心叶轮组成的组合压气机非定常流场进行模拟,通过影响因素分组法,讨论了上游轴流叶轮尾迹与下游离心叶轮势流共同对中间静叶气流非定常流动的干涉特性及离心叶轮势流单独对静叶气流非定常流动造成的影响,并得到轴流叶轮与静叶间、轴流叶轮与离心叶轮间和静叶与离心叶轮间的干涉现象对下游离心叶轮进口气流产生的影响.结果表明:当上游轴流叶轮叶片尾迹和下游离心叶轮势流在中间静叶流道内发生耦合叠加时,会导致两种影响因素出现彼此相互激励或抑制现象;在离心叶轮进口处,轴流叶轮与静叶间、轴流叶轮与离心叶轮间和静叶与离心叶轮间的叠加干涉相位不同,将会导致此处气流产生畸变,直接影响离心叶轮进口气流角的非定常波动幅值.      

二维扩压叶栅非定常涡面分析

轴流压气机内流动是典型的非定常旋涡流动,而现有压气机分析设计体系在定常假设下以流场空间结构为对象.研究压气机内真实流动的途径之一是分析流场时空结构.把转/静叶片交错排列简化为单叶片排,再简化成2-D扩压叶栅.从叶栅非定常涡面的角度来描述非定常旋涡流场时空结构.作为举例,利用合成射流控制涡面演化,改善流场时空结构.此涡面简化模型可为进一步研究叶轮机叶排间干扰复杂流场的时空结构提供分析工具.      

平面叶栅非定常流动试验方法研究

叶轮机内流的非定常流动特性对叶轮机的性能有重要影响，随着人们对内流非定常效应认识的逐步深入．研究内流非定常特性及其物理本质对提高叶轮机性能有着重要的意义。本文在平面叶栅试验器上进行了叶片表面分离流内旋涡的非定常特性测量和外加激励对叶栅性能影响的试验研究。     

上游叶片尾迹对转子叶片非定常表面压力频谱特性影响的研究

为了研究上游叶片尾迹对轴流压气机转子叶片非定常表面压力的影响,采用在叶片表面埋设微型压力传感器的方法,测量了一个单级低速轴流压气机转子叶片的非定常压力分布。对转子叶片非定常压力分布的分析显示:转子叶片压力面非定常表面压力主要受上游叶片尾迹影响,其主导频率为上游叶片尾迹频率及其倍频,压力波动幅度随上游叶片尾迹的衰减而沿流向减弱。转子叶片吸力面非定常压力受叶片附面层和上游叶片尾迹共同影响,其主导频率为上游叶片尾迹频率及其倍频,但是在吸力面前部气流加速区压力波动幅度沿流向增大,而在吸力面后部气流减速区压力波动幅度沿流向减小。在存在尾缘分离的情况下,在分离区附近产生较大压力波动。尾缘气流分离产生的压力波动频谱中含有上游叶片尾迹频率及其倍频的分量,但其频谱可能比较复杂,并非单一地受上游叶片尾迹影响。      

基于系统辨识技术的叶轮机非定常气动力建模方法

 为了快速获得不同刚度的叶轮机叶片颤振特性,提出了一种基于系统辨识技术的叶片排非定常气动力建模方法,分析了叶片气动阻尼随叶间相角差和固有频率的变化特性.该方法通过对多叶片通道的某一叶片单独施加一个扫频振动信号,求解一次非定常流场,得到叶片排上每个叶片的气动力响应,通过系统辨识,获得每个叶片的气动力频率响应.根据小扰动流的叠加原理,得到扫频范围内各固有频率下的叶片排所有叶片共同激励的气动力模型,由此进一步得到各个不同固有频率的所有叶间相角差下的气动阻尼.针对STCF4(Standard Test Configuration 4)算例,该方法的计算结果与直接采用计算流体力学(CFD)方法和直接采用谐振信号的降阶方法(ROM)得到的气动阻尼系数吻合得很好.该方法只需进行一次非定常CFD计算就能得到扫频范围内不同固有频率下的气动阻尼特性曲线,极大地提高了计算效率,方便了叶轮机设计初期的气动弹性稳定性参数分析.     

一种基于CFD的叶轮机非定常气动力组合建模方法

为了获得一个准确高效的非定常空气动力学模型并将其应用于叶轮机叶片颤振特性分析中去,论文发展了一种基于CFD方法的叶轮机非定常气动力组合建模方法,可以快速计算叶轮机叶片在等相角差振动时的气动阻尼系数。运用小扰动流场的叠加原理,通过不同通道数模型的非定常流场求解(通常需要两次或三次),针对流场的周期性边界条件,组合分析得到一系列更多通道数情况下的非定常气动力低阶模型。基于这种降阶模型计算的气动阻尼系数与直接的CFD方法计算结果吻合很好,计算效率提高10倍以上。     

跨声压气机动静干涉效应的数值研究

采用数值方法对一轴流跨声压气机在设计点的非定常流场进行了模拟, 对级内动静干涉进行了深入分析, 研究了尾迹和位势作用等对动静叶表面气动负荷的影响.计算结果表明:在压气机中, 上游动叶的尾迹等对静叶通道内部流动, 叶片表面静压的波动, 以及边界层流动损失的发生、发展和输运产生明显的影响, 需要在设计中加以考虑.      

压气机二维叶栅涡脱落的数值模拟

对某压气机二维叶栅的非定常分离流场进行了数值模拟,通过对多种工况的计算,进行了频谱分析,对叶栅非定常流动的流场结构和流动机理做了初步的探讨。在来流均匀,定常边界条件下,叶栅内流动仍然表现出强烈的非定常性;在大攻角下有类卡门涡的脱落;旋涡脱落的频率,随着攻角和马赫数的变化而变化;分离点的位置随着攻角和马赫数的变化而变化。     

叶型厚度参数与压气机转子叶片颤振关联性研究

采用计算流体力学与结构动力学相结合的方法,数值模拟了大负荷弯掠扭组合叶片非定常粘性流场;通过对叶片表面非定常气动力及其所做非定常气动功的计算分析,采用能量法对叶片颤振与否进行预估判断。在气动设计满足设计要求的基础上,小范围调整大负荷弯掠扭组合叶片的最大厚度分布和最大厚度相对位置分布,并分别进行颤振预估计算。结果表明,最大厚度分布和最大厚度相对位置分布对颤振影响明显。在最大厚度相对位置分布相同的情况下,均匀减薄叶片,会使一阶动频减小,积累功率增大,颤振发生的可能性增大。研究结果对叶轮机颤振机理研究具有一定的参考意义。     

基于CFD技术的叶片颤振分析

采用CFD技术,引入等叶片间相位角假设,运用非耦合的能量法,研究了典型叶轮机叶片的颤振特性。采用有限体积法求解NS方程,运用SST湍流模型,通过恒定叶间相位角简化叶轮机流场,计算了NASARotor67和STCF4（the Fourth Standard Configuration）的振动叶片的流场特性。计算表明：转子67采用碳钢材料时,在效率峰值的工况下,叶片不会发生颤振;而STCF4在一阶弯曲振动中会出现不稳定;叶间相位角（IBPA）对振动叶片的气动弹性稳定性有明显的影响。