三维环境下离心/斜流压气机二维叶型优化设计

考虑离心/斜流压气机转子叶片通道内流动的强三维性,提出在三维环境下进行二维叶型优化设计.通过对能量方程中黏性耗散项改进,解决了Denton黏性体积力方法模拟离心/斜流叶轮三维流场效率偏高的不足.将改进流场计算模块与并行遗传算法寻优模块相结合,构成离心/斜流压气机二维叶型优化设计软件.采用所研制的软件,分别对离心叶轮和斜流叶轮叶尖处叶型进行优化设计.优化叶片基本达到目标流量和压比,在整个工作范围内效率都提高明显:在设计点离心叶轮效率由0.938提高到0.947,斜流叶轮效率由0.899提高到0.918.      

某小型高速离心叶轮的优化设计

针对某小型高速离心压气机叶轮的叶片厚度和子午流道线形进行改形,并利用商用软件Fine/Turbo对改形后的叶轮进行全三维数值计算.计算结果表明:经过优化的叶轮在设计点绝热效率提高2.4%,并且具有较高的稳定裕度.另外,将径流式叶轮改叶轮为斜流式可以减少叶轮出口区域的气流分离,但以降低其扩压能力为代价.      

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。     

基于BP人工神经网络的离心压气机叶轮多目标优化设计方法

利用Concept NREC软件建立离心压气机叶轮设计样本库,借助BP（back propagation）人工神经网络建立样本库中各设计参数与压气机性能之间的关系,接下来以多目标遗传算法寻找Pareto解,从而获得离心压气机叶轮最佳设计参数.将该方法应用于Krain叶轮设计工况,所得叶轮的效率、压比较Krain叶轮原型分别提高1.4%和10.9%.通过对人工神经网络模型可靠性的讨论、多目标优化模型的主成分分析和所设计叶轮性能的CFD验证,证明了所构建的目标函数与所获得的Pareto解集的合理性,说明本方法可以有效应用于在离心压气机设计、选型.      

高速微型离心压气机的改型设计

近年来微型涡喷发动机的研究受到国内外的高度重视。微型叶轮机作为微型涡喷发动机的核心,其内部流动状况及特性是研究的重点。本文首先采用S-A湍流模型,对某微型涡喷发动机的离心压气机(转速118 000 r/min)的地面状态和设计转速下的粘性流场进行了三维数值模拟计算,得到了压气机特性曲线。接着对该离心压气机进行了改型。通过与原型三维流场的对比分析,实施了改型流道设计,重点在于调整转子流道的形状以及转子出口与径向扩压器之间的流道匹配。改型离心压气机的三维流场计算结果表明,基本达到改型设计要求。     

高压比离心压气机串列叶轮内部流动机理研究

为了探索串列叶轮的设计方法和实际应用,在常规离心叶轮的基础上,利用轴流压气机和离心叶片设计方法实现了串列叶轮设计,借助经过校核的数值模拟手段,对带串列叶轮的离心压气机内部流动进行了详细数值模拟,研究了诱导轮和导风轮之间相对周向位置对串列叶轮内部流场及气动性能的影响。研究表明:串列叶轮的引入能够不同程度改善离心压气机性能,且诱导轮与导风轮之间的相对周向位置对气动性能具有较大的影响,在λs=25%周向相对位置下,串列叶轮的引入使得压气机级综合裕度和峰值效率分别提高了1.3%和1.4%。与常规叶轮相比,合理布局的串列叶轮能够有效控制离心叶轮内部附面层的发展并改善离心叶轮内部流场特性以及离心叶轮出口流场品质,从而有效提高高压比离心压气机的性能和稳定工作裕度。     

用粘性体积力方法计算高速离心压气机叶轮内部流场

高速离心压气机是用途非常广泛的一种动力机械,充分了解其内部复杂的三维流场对设计高压比、高效率离心压气机具有很重大的意义。本文采用一种简化的Navier-Stokes方程的计算方法-粘性体积力方法,计算了Krain叶轮内部流场。使用H型网格离散微分方程,并采用多重网格方法和当地时间步长方法加速计算收敛。粘性应力通过Baldwin-Lomax模型计算。为了证明计算结果的有效性,文中也给出了相应的激光测量结果。      

一种离心压气机性能仿真数学模型

阐述了一种能够达到设计精度要求的快速简单离心压气机性能仿真数学模型,模型中计及离心压气机内出现的各种损失,采用迭代方法计算几个划分截面上的子午速度。为了保证计算精度,叶轮出口和扩压器间流动划分成多段交错网格进行计算。采用建立的数学模型对 Krain离心压气机叶轮性能进行了模拟,并把计算结果同三维 N-S方程的计算结果进行了比较。结果表明,采用建立的仿真模型能够用来模拟离心压气机叶轮性能,为设计离心压气机提供了一个有利的工具,而且对带有涡轮增压器的内燃机设计具有重要的实际意义。      

多源不确定耦合下离心压气机叶轮气动稳健性

考虑制造误差与气动边界多源不确定耦合作用,以某离心压气机叶轮为研究对象,将数值计算方法、拉丁超立方试验、代理模型与蒙特卡洛方法相结合,分析几何设计变量与性能参数的相关程度,量化叶轮制造误差与转速波动的不确定性对压气机性能的影响程度,提出一种考虑多维异性不确定因素的离心压气机叶轮气动稳健优化设计方法。结果表明:在制造误差和转速不确定耦合作用下,压比波动幅度由350%增大至1414%;优化后叶轮气动稳健性增强,压比和效率均值分别提高69%和46%,标准差分别降低154%和184%。     

离心压气机进气流场研究及控制

对某车用增压离心压气机进行了三维数值模拟,研究了离心压气机设计点和不同转速下近喘振点进气流场,基于此提出了离心压气机进气轮盖导叶流场控制措施并进行了验证实验.研究表明:离心压气机近喘振点压力面与吸力面压力差异影响到进气流场,导致进气口轮盖附近出现与叶轮转向相反的切向速度;且从低转速到高转速,该与叶轮转向相反的切向速度逐渐增大;离心压气机设计点进气在叶片压力面和吸力面前分别形成与叶轮转向相反和相同的切向速度区域,该区域不限于轮盖附近.轮盖导叶的流动控制方法可以有效抑制近喘振点切向反速度,实验结果表明,轮盖导叶使得离心压气机整体性能得到了提高,在90000r/min近喘振点压比提高了3.4%,效率提高了3.0%.      

考虑热传导的微型离心压气机设计与数值分析

为厘米级微型燃气轮机设计了一台直径为26 mm,设计转速为240 000 r/min,设计流量为30 g/s的微型离心压气机,并在壁面绝热条件和壁面等温传热两种条件下,运用CFX软件进行了数值模拟.结果表明,在同样的轴输入功的情况下,壁面等温传热条件下流量比绝热条件减小7.53%,总对总等熵效率降低约18.1%,总压比减小21.7%.在此基础上,考虑热传导对微型离心压气机进行了改进设计,CFX软件分析结果表明,改进后的设计满足微型燃机总体设计要求.      

压气机初始设计中端区堵塞模型的建立和数值验证

根据扩张管道边界层理论,从边界层动量积分关系式出发,提出了用于轴流压气机初始设计的端壁区堵塞发展模型。应用该模型,可以在初始设计阶段方便地预测压气机端壁区堵塞的发展。通过对轴流压气机扩压叶栅的数值模拟,将模型预测值与数值模拟结果进行对比分析,验证了该模型的准确性和适用性。     

竹节形扰流元对流动与换热特性影响的数值研究

采用数值计算方法, 研究了扰流柱形状对通道中流体流动和换热的影响, 模拟了带竹节形扰流柱通道的流场.结果表明:相对于圆柱形扰流柱, 装有圆柱竹节形和椭圆竹节形扰流柱阵列矩形通道的压力损失系数分别为62%～77%和25%～27%, 而恒热流壁面的平均奴塞尔数分别降低了9%22%和22%24%.随着扰流柱排列间距的减小, 压力损失增加, 而改变扰流柱排列横向间距引起的压力损失的变化要比改变流向间距显著.      

矩形通道内扰流柱形状对流动和换热特性影响的研究

利用试验和数值模拟两种方法对装有圆形、椭圆形和水滴形三种叉排扰流柱阵列矩形通道内流动和换热过程进行了研究,获得了通道内流场、压力场以及壁面温度场的基本特征,并对其强化换热特性和压力损失特性进行了对比分析。结果表明:装有水滴形扰流柱阵列的矩形通道压力损失分别为前两者的51%和95%,而恒热流壁面的平均对流换热系数相对于前两者而言分别降低了20%和7.9%,压力损失降低的幅度明显高于强化换热的减弱。综合性能评估表明,水滴形扰流柱是一种具有较好综合性能、替代常规圆形扰流柱的理想结构。     

具有针肋的狭窄空间冲击冷却实验和数值计算

对具有全高度针肋扰流的狭窄空间冲击冷却进行了实验和数值计算,并与平板靶板冲击冷却传热性能进行了对比分析.射流冲击雷诺数范围为15000~30000.实验采用瞬态液晶热像技术获得了冲击靶板上详细的传热分布,并通过数值计算获得了冲击冷却系统中的流场和传热特征.实验研究表明:狭窄空间冲击冷却中的针肋靶板端壁上的平均传热性能比平板靶板提高约7.0%,压力损失提高约17.9%,并且针肋改善了靶板端壁上传热均匀性.另一方面,数值计算分析表明近壁面射流以及空间中的上洗涡流与针肋表面发生强烈相互作用,并且针肋显著地增加了换热面积,因此具有针肋扰流的冲击冷却系统具有显著增强的总体传热性能,比平板冲击冷却提高约27.0%.      

交叉式多股流板翅式换热器数值研究

借鉴顺逆式板翅式换热器研究成果,分析了交叉式多股流板翅式换热器传热机理,建立了基于有限容积法的多股流板翅式换热器传热数学模型,经过合理假设将翅片间距与单元格尺寸独立,拓展了前人数学模型适用范围.同时,以机载交叉式3股流板翅式换热器为例,对单元格尺寸选取进行了探讨,对同一通道单元格内流体流动横向传热进行了分析,证明了忽略流动横向传热的可行性,从而在保证精度不变条件下提高了计算效率;并在流体变入口参数条件下进行试验,对数值计算方法进行验证,通过与试验数据对比,理论计算误差小于7.9%,证明了数值计算方法的合理性.      

液体火箭发动机推力室再生冷却流动与传热计算研究

为了研究液体火箭发动机推力室再生冷却流动与传热的快速仿真方法,建立了推力室再生冷却的准二维模型,对航天飞机主发动机开展了再生冷却流动与传热计算仿真研究,对比分析了再生冷却准二维模型和三维模型的仿真计算结果。研究表明,两种计算模型均可较好地预测推力室燃气及再生冷却剂的流动和传热。三维模型计算精度高,但计算用时较长。计算得到的航天飞机主发动机的燃气侧壁面最高热流密度为162.2MW/m2,最高壁温为1159.7K,冷却剂温升为244.0K,压降为8.5MPa。准二维模型计算结果精度略有降低,但计算时间较三维模型减小了90%。四个参数与三维模型计算结果的差异分别为0.3%,4.4%,8.6%和4.5%,在可接受范围内。本文的准二维模型计算时间短,适用于液体火箭发动机再生冷却结构的方案筛选和优化设计,三维模型计算精度高,适用于设计完成后的校核计算。     

水滴形叉排扰流柱阵列矩形通道内流动和换热数值模拟

运用数值计算的方法对具有水滴形叉排扰流柱阵列矩形通道内的流动和换热过程进行了三维数值研究,获得了通道内流场、压力场以及壁面对流换热的基本特征,并与具有相同截面积的圆柱形扰流柱进行了对比分析。研究结果表明:在本文研究的范围内,与圆柱形扰流柱相比,水滴形扰流的强化换热效果约下降约15%,但流动阻力却下降了近50%。      

楔形肋片内冷通道传热与流动阻力特性

利用实验和数值模拟方法,分析了楔形肋片几何结构对仿螺旋肋片内冷通道强化传热与流动阻力特性的影响,并将模拟结果与实验数据进行了对比,两者结果吻合良好.研究结果表明,随着楔形肋片导流角的增大,通道的强化传热显著增强,但其流动阻力也明显增大;气流方向的不同对通道总体换热强度影响不是很大,但反吹时通道中的流动阻力却明显高于正吹;从内冷通道的综合换热效果来看,当楔形肋片导流角为7?且气流正吹时是最佳的肋片几何结构参数.