Receptivity and structural sensitivity study of the wide vaneless diffuser flow with adjoint method

The stability of the flow in the vaneless diffuser of a centrifugal compressor is studied with the linear theory. The characteristics of direct and adjoint perturbation modes are investigated, and the receptivity of the instability mode to momentum forcing or mass injection is identified based on the adjoint modes. Analysis shows that the perturbation with the largest amplitude is located at the outlet of the vaneless diffuser, while the highest-receptivity region is located in the middle of the vaneless diffuser along the radial direction. The large difference between the direct and adjoint modes indicates that the instability mechanism cannot be identified from a study of either eigenmode separately. Therefore, the structural sensitivity analysis is adopted to study the feedback of the instability mode. The structural sensitivity of the eigenvalue which is proportional to the perturbation pressure and velocity is used to explain the mechanism of flow control for the vaneless diffuser.     

扩压器叶片可调对离心压气机正转逆流性能的影响

离心压气机正转逆流是综合动力装置在应急动力模式下避免离心压气机温度过高而不得不采取的措施。为了改善正转逆流时离心压气机的功耗,本文提出了角度大幅可调的扩压器叶片组合,并结合三维数值模拟技术,研究了扩压器叶片安装角大幅调节对离心压气机反向流动的影响。分析表明:扩压器叶片安装角调整对扩压器叶片通道和工作叶轮流动通道的影响很大,调整后流动分离区减少、减弱甚至消除了激波,流动更为顺畅;在气源压力和缝隙面积一定时,流量明显增加,但离心压气机的功耗反而变小。同样的反向气流流量下,调整扩压器叶片安装角能显著降低离心压气机的功耗,从而提高综合动力装置的功率输出。     

高负荷离心压气机扩压器叶片前缘结构分析

为拓宽离心压气机稳定工作范围,以某高负荷离心压气机为研究对象,对径向扩压器叶片前缘进行盘侧开槽处理,借助数值模拟手段,探讨了开槽处理对离心压气机性能和稳定工作范围的影响,并对开槽结构进行了参数化研究,确定了主要开槽参数对离心压气机的影响.数值计算表明,径向扩压器前缘盘侧开槽能够在一定程度上提高离心压气机的稳定工作裕度,但同时伴随着压气机性能的降低.详细对比分析了开槽结构引人前后离心压气机内部流场结构,揭示了径向扩压器叶片前缘开槽提高离心压气机稳定工作裕度机理.     

进口导叶预旋对扩压器内部非定常流场影响的实验研究

本文在不同的进口导叶预旋下,采用热线风速仪对扩压器内的非定常流场进行了测量,采用锁相采样—集平均技术对热膜测量的瞬时信号进行处理,研究了进口导叶预旋角度和方向对扩压器内部非定常流场影响。结果表明,扩压器内部大部分紊流强度均有所增加;扩压器内的非定常性受导叶尾流及大尺度涡团的非定常影响而减小,且负预旋角度下非定常性的减小程度小于正预旋角度下的非定常性;扩压器内部的非定常流动的基本频率降低。     

连续式跨声速风洞大开角段整流装置设计数值模拟

采用阻尼网对大开角段内的气流分离进行控制,并合理设置其参数,是工程上有效的方法之一。为验证阻尼网工程设计方法的可靠性,以0.6m连续式跨声速风洞为背景,通过数值模拟,对工程设计方法的初步结果进行了验证,并在此基础上结合大开角段布置环境对阻尼网参数进行了优化。由计算结果知,采用方案3-4(两层阻尼网损失系数分别为1.6和1.0)时,大开角段出口截面的速度均方根偏差值(RMS)为14.5%;考虑布置环境影响,调整两层阻尼网损失系数至0.8和1.0时,RMS值为16.2%。研究结果表明,阻尼网工程设计方法结合数值模拟可以有效地应用于大开角段整流装置的设计,达到了抑制大开角段内气流分离,降低压力损失,提高出口速度均匀性的设计目标。     

跨声速风洞扩散段数值模拟

运用时间相关的全隐ＡＦ方法，计算二维及轴对称亚声速高速扩散段内流场。流动控制方程使用全Ｎ－Ｓ方程。湍流模型选择了Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ代数湍流模型，和两层κ－ε二方程模型。经过同国外实验结果的比较，证明本文计算结果合理。在此基础上，计算了中国气动力研究与发展中心２．４ｍ×２．４ｍ引射式跨声速风洞第二扩散段在不考虑喷流干扰及常规运行状态下的流场。     

先进燃烧室分配器式扩压器实验研究

针对高性能航空发动机燃烧室进口马赫数不断提高,同时先进燃烧组织对流量分配及头部空气动力学的要求,设计出一种适用于可变几何燃烧室的新型燃烧室扩压装置一分配器式扩压器.通过试验研究,重点研究了分配器式扩压器的总压损失与马赫数以及面积比的关系,分配式扩压器挡板对流场的影响.结果表明:当马赫数为0.359时总压损失为3.57％,这说明扩压器总压损失符合要求;存在一个面积比1.6～2.1使得扩压器出口流畅分布均匀;挡板可以改变流场分布和入口压力参数.     

高超声速风洞扩压器试验研究与分析

扩压器是高超声速风洞的关键部件,主要作用是提高出口气流的静压。在某高超声速风洞扩压器上布点测量壁面静压和近壁面皮托压力,并在出口布置尖劈测量出口气流参数,评估扩压器的性能。结果表明：扩压器内的核心流区由于存在逐步衰减的激波-膨胀波系,使气流出现“减速-加速-再减速-再加速”的流动过程;该扩压器能保证风洞正常启动以及试验段流场不受背压的影响;该扩压器的效率与国外类似风洞扩压器效率相当,前室总压较低时,扩压器能起到良好的减速增压的效果,前室总压较高时,扩压器增压效果不明显,扩压器出口气流马赫数偏高。     

单板环形分配器式扩压器性能的进一步研究

研究了随着燃烧室进口马赫数不断提高时单板环形分配器式扩压器的总压损失、静压恢复和扩压器流态问题。采用计算流体力学(CFD)方法,对矩形分配器式扩压器进行数值模拟,将其结果与矩形分配器式扩压器试验结果对比,得出边界条件设置方法,对单板环形分配器式扩压器进行了数值模拟。燃烧室进口马赫数从0.291增加到0.420。结果表明:矩形分配器式扩压器的数值模拟结果与试验结果较为吻合,误差在±5%之内;随着燃烧室进口马赫数的不断提高,单板环形分配器式扩压器的性能下降。在马赫数高达0.420时,单板环形分配器式扩压器内流动没有分离,静压恢复为0.870,总压损失为1.346%,表明其性能比短突扩扩压器的性能好,在一定程度上能够满足下一代先进燃气轮机燃烧室对扩压器的要求。     

高空模拟试车台超声速引射器数值研究

利用火箭发动机自身的超声速喷流作为引射气流的超声速引射器系统，在上面级火箭发动机高空试车台的研制中有着重要的应用价值．文中采用数值方法模拟求解了火箭发动机超声速引射器流场。比较了直管超声速引射器和有第二喉道的超声速引射器的性能、探讨了超声速引射器设计的影响因素。计算结果与实验结果符合较好，这表明该数值方法是研究超声速引射器的一种重要研究手段。