用于多级压气机非定常流动的谐波平衡方法研究

为了在保证计算精度的同时,进一步提高压气机流动非定常模拟的计算效率,在课题组自行开发的结构化有限体积解算器上实现了谐波平衡法。以1-1/2级轴流压气机为研究对象,采用谐波平衡法和相滞后法对其非定常流场进行了数值模拟,并采用谐波平衡法对该压气机的时序效应进行了初步研究。计算表明,随着谐波阶数的增加,谐波平衡法的计算结果逐渐接近于相滞后法的计算结果;在谐波阶数达到5阶以后,谐波平衡法的计算结果不再随谐波阶数的增加而变化,且与相滞后法的计算结果匹配;谐波平衡法在保证与相滞后法相同的计算精度的情况下,计算效率相比相滞后法高了近3倍;5阶谐波平衡法即可很好地模拟入口导叶-静叶时序效应。算例表明,谐波平衡法相比相滞后法具有更多的选择空间和更高的计算效率。     

非线性谐波法在对转压气机中的校检分析

以双级对转压气机为研究对象,对新型非定常模拟方法——非线性谐波(NLH)法进行了不同阶数下的校检,并与常规非定常模拟方法在宏观性能指标和微观流场结构上进行对比,分析了对转压气机转子独特的动-动干涉现象.研究结果表明:非线性谐波方法可在时均框架内有效计及非定常现象,对于该对转压气机,3阶谐波已能在计算成本和计算精度间获得最佳折衷,具备良好的工程应用前景.      

单级轴流压气机确定应力场计算精度分析

为分析各非定常模拟方法对于确定应力场的计算精度以便为确定应力的建模与校准提供指导,以Stage35单级轴流压气机为研究对象,分别用相位延迟法、叶片约化法及非线性谐波法对其进行了非定常数值模拟,并将得到的确定应力分布与半环常规非定常模拟进行对比。结果表明:非线性谐波法对于确定应力的预测值通常偏大,而相位延迟法及叶片约化法均能较准确地捕获流场确定应力分布,但对于确定应力的周向变化,三种方法的预测精度均不高;谐波阶数的增加有助于提高非线性谐波法对于流场频谱特征的计算精度,并且使确定应力有增大趋势,但对时均参数的预测精度影响很小。     

一种快速模拟振荡叶栅非定常流的数值方法

为了提高叶轮机内周期性非定常流数值计算效率,发展了一种计算振荡叶栅非线性非定常流的谐波平衡方法,将周期性非定常流动参数采用傅里叶级数表示,从而将传统的定常流动数值计算方法应用于非定常流问题求解中,大大提高了非定常流计算效率。计算结果表明,发展的谐波平衡方法与线性方法、非线性时域法计算结果吻合较好,且其计算效率比时域法高1个数量级。另外,系统研究了谐波阶次对计算效率与计算精度的影响,认为在气流未出现严重分离时,应采用低阶谐波平衡方法,以减少计算耗时。此外,从压气机振荡叶栅非定常流场计算结果可以看出,叶片吸力面诱导涡的生成频率与振荡频率并不一致,涡生成频率要高于振荡频率。     

轴流压气机非定常数值模拟方法精度分析

以Stage-35单级轴流压气机为研究对象，分别用相位延迟法、叶片约化法及非线性谐波法对其进行非定常数值模拟，并与实验及半环精确非定常模拟进行对比，以分析各非定常模拟方法的计算精度。结果表明:3种非定常计算方法在对流场时均参数的预测上均能达到半环精确非定常模拟相同的精度，但几何改变使叶片约化法得到的频谱特征尤其是基频谐波幅值产生较大变化；相位延迟法虽能较准确预估基频谐波幅值，但在其余谐波处则精度通常低于叶片约化法；非线性谐波法在计算参数的非定常时域及频域特征时精度比相位延迟法和叶片约化法低。      

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.     

谐波平衡法在非定常流场中的应用

谐波平衡法（HBM）适用于模拟周期性非定常流场。求解这类问题时,只需要一个周期中几个等距时刻的流场解,即可重建整个周期流动的时间历程,计算效率较高;同时还采用谱算子精确求解流场变量对物理时间的导数项,保障了算法的计算精度。鉴于此,详细介绍了谐波平衡法的原理和实现过程,并给出了如何在现有计算程序下实现谐波平衡法的流程。取跨声速翼型和超声速钝锥两个周期性强迫俯仰振荡绕流为例,以双时间步方法为参考,对谐波平衡法的效率和精度作了详细的考核和分析。计算结果表明,谐波平衡法的内存消耗较大,谐波数N_H=2时约为双时间步方法的4倍,但谐波平衡法取得与双时间步方法相近结果的计算时间仅为后者的1/5。因此,谐波平衡法是一种有应用前景的工程实用方法。对于长周期问题,谐波平衡法的优势更加明显。     

跨声风扇周向畸变流动的谐波平衡法计算

研究了采用"相位延迟"边界条件的谐波平衡法用于周向进气畸变计算的可行性及其计算效率,考虑了进气总压畸变形式为正弦波和方波的两种情况。对于正弦波形式的进气总压畸变采用较少阶数的谐波计算就可得到和双时间推进法相近的计算结果,计算速度最大可以提高48倍。对于方波形式的进气畸变,则需要采用更多阶数的谐波计算才能还原得到较准确的非定常流场,计算速度提高了7倍。算例表明,谐波平衡法可以有效的应用于跨声风扇周向进气畸变的非定常计算中,同时大幅提高计算速度。     

叶轮机转静干涉计算建模方法比较

通过对尾迹-叶片干涉和激波-叶片干涉这两类典型转静干涉流动的模拟,对3种基于傅里叶分析的时域非定常计算建模方法,即形修正相延迟法、空间-时间梯度法和谐波平衡法进行对比分析；详细考察它们的区别与联系,不同方法的计算准确度和计算速度.计算表明:3种建模方法都可以很好地捕捉到非定常流动细节；与传统的时间推进法相比,计算速度提高了几倍到几十倍,可用于工程设计之中.      

非线性谐波法在双级对转压气机中的进一步校检

以双级对转压气机为研究对象,在与试验结果及常规非定常方法对比的基础上,对新型非定常模拟方法——非线性谐波法(NHM)进行了时域和频域中的校检分析,探索其相比常规非定常方法的适用性.研究结果表明:非线性谐波法在设计工况下能够较为可靠地模拟确定应力的大小及其分布规律,具有较高的建模精度.对于近失速状态,由于流场中的固有周期性被破坏,导致非线性谐波法在该工况下不再适用,其与常规非定常模拟结果存在明显差异.      

跨声速轴流压气机级全工况三维流场数值分析

以LV－SGS－GE隐式格式和MUSCL TVD迎风格式为基础，结合壁面函数方法和简单的混合长度湍流模型，对三维可压缩雷诺平均N－S方程进行求解。叶列间参数的传递采用混合平面方法并应用了微机网络并行计算技术。计算得到了NASA 35号低展弦比、跨声速轴流压气机组70％和90％设计转速下的全工况性能曲线，并重点分析了其中一些典型工况下的内部流场。计算与实验结果的对比表明，此方法能快速得到三维粘性流场的流动特性且计算精度较高，可用来模拟跨声速轴流压气机组内的全工况三维粘性流动。     

离心压气机中进口导叶尾迹的形态、输运及与叶轮流场的相互影响研究

对跨声速离心压气机中进口导叶与叶轮的相互影响作用进行了数值模拟研究,研究模型包括三种几何间距模型及对同一间距几何模型使用了两种不同的转静子交界面位置设定。计算结果表明：转静子交界面位置的设定对于多排叶片混合平面法定常计算性能会产生较大影响,5%叶轮轴向长度的变化就可造成1%的效率、2%的压比差别;进口导叶与叶轮的叶排间距大小对离心压气机级气动性能影响很小,但间距较小时会造成流场内较大的压力波动。在近叶排间距时,导叶切割叶轮激波会在导叶压力面侧产生一个高损失区,并沿导叶表面向上游传播;该高损失区由激波压力波造成。此外,激波存在与否,影响到两排叶片流场的相互影响作用强度：激波使叶轮对导叶流场的影响几倍甚至十几倍大于导叶对叶轮流场的影响;激波的影响作用使导叶压力面、吸力面侧压力波动由不同的原因造成。最后,在近叶排间距时,初始进入叶轮通道内且靠近主叶片压力面的尾迹相对靠近吸力面的尾迹片会滞后;完全进入叶轮通道后,近压力面侧尾迹的滞后更显著。     

对转压气机叶排交界面参数传递的数值研究

针对超常规叶轮机械——对转压气机采用5种定常叶排交界面方法,结合实验值对比分析了对转压气机整机性能、近设计工况以及近失速工况流场,以定量研究不同交界面方法应用于叶排交界面的参数传递效果.结果表明:①不同交界面方法计算的整机效率性能差异明显,而压比性能与实验值吻合较好.②近设计工况下,周向守恒法在不同交界面的参数传递连续性相对较好,当地守恒法和完全非匹配混合界面法对下游界面参数的控制作用逐渐增强,一维无反射边界条件和完全非匹配冻结转子法则正好相反.③近失速工况下,一维无反射边界条件和完全非匹配冻结转子法对应的叶片前缘高熵损失区范围明显增大,叶顶主流和间隙溢流交界面扭曲成更靠近上游叶排交界面的弧形.      

多块多重网格法及其跨声速转子内流并行模拟

为提高压气机内部复杂流动计算的收敛速度,发展了一种多块多重网格上的可压缩流动并行计算流体动力学(CFD)方法,数值模拟了跨声速转子NASA Rotor 35内部流动及气动性能,重点分析了对接分区方式和内界面通信模式对并行性能的影响。结果表明:对接分区方法和多块多重网格内界面数据处理方法能够保证串、并行CFD方法结果基本一致,且与实验数据吻合良好;并行精度基本不受分区数目和通信模式的影响,并行效率随着相对通信负载的增大而降低。所发展的并行计算方法对跨声速转子气动分析和设计具有一定的可靠性,为开发大型流体机械复杂流动的基础并行算法及软件提供了参考价值。     

Numerical and experimental study of bleed impact in multistage axial compressors

In this study, the influence of inter-stage bleeding on the compressor performance and inter-stage flow field of a multistage axial compressor is investigated by both experimental and numerical methods. The experiment is conducted on a four-stage low-speed axial compressor, and a specific computational model is built to simulate the experiment environment accurately. To illuminate the fluid mechanisms of bleeding effect in detail, both the experiment and the simulation are carried out twice, i.e., in the first time, the mass flow rate upstream the bleed location is constant under different bleed rate conditions; while in the second time, the mass flow rate downstream the bleed location is constant under different bleed rate conditions. The results demonstrate that inter-stage bleeding has little influence on upstream compressor characteristics, and affects the upstream flow field only in the rear half of the stator. The bleed effect on the downstream flow field is embodied in the variation of an incoming flow profile, an increase as the compressor inlet flow coefficient decreases. Therefore, such an effect is only significant on compressor characteristics at small flow coefficient conditions. In multistage compressors, the variation of compressor characteristics and flow field caused by inter-stage bleeding is the comprehensive result of the bleeding and the variation of the upstream working condition. In addition, the comparison between numerical and experimental results shows that the flow moves towards top half of span through the downstream rotor passage in the numerical simulation, whereas the trend of flow field variation with different bleed rates at the outlet of the downstream rotor and stator is the same with that at the inlet of the downstream rotor in the experiment, which means that the numerical method has overestimated the radial mixing intensity of the flow.     

1.5级跨声压气机中时序效应的研究

以在建中的1.5级跨声压气机试验台所使用的压气机为研究对象,利用计算流体力学方法对其内部时序效应进行了研究.研究表明:静叶尾迹与出口导叶边界层中低能流体发生掺混时,掺混损失小,压气机效率高;静叶尾迹与出口导叶主流区中的高能流体掺混时,掺混损失大,压气机效率低,且最高效率与最低效率相差约0.4%;入口导叶与静叶间时序效应不明显.此外,得出了静叶-出口导叶轴向间隙与静叶-出口导叶间最佳时序位置的关系曲线.      

多级轴流压气机彻体力模型——理论方法及简化应用

基于时间推进技术及有限体积法,将彻体力模型与基元叶栅法的思想相结合,提出了一个适用于预测大尺度进气畸变对多级轴流压气机气动性能及稳定性影响的三维数值计算模型。在进气条件轴对称的前提下,利用相应的简化模型重点分析了一台四级轴流压气机在均匀进气及叶尖径向总压畸变进气下的内部流场特征。均匀进气下的模型计算结果与相关试验结果相吻合。叶尖径向总压畸变进气下模型的计算结果表明:径向畸变在压气机流道内会发生显著的径向掺混作用,叶尖径向总压畸变对该压气机稳定性有显著恶化影响,随着畸变强度的增加,压气机稳定边界逐步下降。计算结果支持了该模型用于预测径向进气畸变影响的可能。