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。     

轴流压气机转子尖部三维复杂流动Ⅰ——实验和理论研究

在低速大尺寸压气机实验台上,利用体视图像粒子测速(SPIV)技术测量了设计状态和近失速状态转子尖部的三维复杂流动,对典型二次流流动结构的特性及其产生、发展和演化机制做了研究。实验测量覆盖整个转子通道,从测量得到的各阶物理量中可以识别出叶尖泄漏涡、角区旋涡、通道涡和进口导叶尾迹等多种二次流流动结构。通过分析各种二次流流动结构造成的流动堵塞和损失发现:在设计状态,叶尖泄漏涡是流动堵塞和损失的主要来源,在转子出口处造成的流动堵塞约为总流量的0.35%;在近失速状态,角区旋涡对流动堵塞和损失的分布起了决定性作用,造成的流动堵塞可以达到总流量的8.5%。最后,借鉴二次流理论对角区旋涡的产生、发展和演化机制做了理论分析,结果表明角区旋涡的发展过程主要由流向速度的展向分布规律决定。     

紧凑布局核心机驱动风扇级设计参数影响分析

以某核心机驱动风扇级(Core driven fan stage,简称CDFS)的气动方案为例,使用新版Denton程序通过数值模拟分析了气动布局、预旋分布和转子径向负荷分布对CDFS性能的影响。数值结果表明:利用CDFS静子取代高压压气机进口导叶是一种紧凑高效的CDFS气动布局;CDFS效率所受的影响主要来自转子效率的变化,工作裕度所受的影响主要来自静子负荷的变化;增加CDFS转子叶根的设计压比可以降低CDFS静子叶根的气动负荷,从而使CDFS获得更为均衡的性能。     

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。     

跨声串列静子叶片匹配特性分析及其优化

以数值模拟的方法对串列叶片的匹配特性展开研究,分析其前后排叶片的工作特点,并在此基础上利用可控扩散叶型(CDA叶型)替换常规叶型,有效提高了叶栅性能.研究结果表明:随来流攻角的变化,前排叶片的工作状态变化很大,并且串列叶栅的可用攻角范围几乎只由前排叶片决定;而后排叶片的攻角由前排叶片落后角确定,同时前排叶片的尾迹在后排主流区中的堆积能够削弱后排叶片中气流扩压的过程,前排分离严重的情况下,后排叶片工作状态反而有所改善.在分析串列叶片工作特点的基础上,以CDA叶型分别替换常规叶型能够取得良好的效果.      

压气机角区失速预测模型的改进与实验验证

角区分离普遍存在于压气机中,随着负荷的提升,角区分离可能发展为角区失速,导致流动的堵塞与损失显著增大。前人基于二维叶栅,提出了预测叶片角区失速的模型,但这些模型并没有考虑到真实压气机环境中流动的强三维性。本文在现有模型基础上,一方面对其进行改进,以考虑压气机中流动具有强三维性的影响;另一方面,利用低速压气机实验台上获得的大量实验数据对现有模型和改进后的模型进行校验。结果表明:在真实压气机中,现有的准则不再可行;而基于改进后的模型,存在一个临界参数D=0.405±0.02,能够准确判断静子根部角区分离和角区失速;另外,改进后的参数D与静子根部端区流动影响范围内的堵塞和损失存在很强的关联。