基于EWT的离心压气机出口动态压力样本熵分析

以800 kW离心压气机从稳定状态经过过渡过程进入喘振状态时段的出口动态压力为研究对象，采用经验小波变换并结合样本熵特征，分析了系统在不同工况下的复杂特性。首先，在分析系统动态压力波形特征的基础上，采用经验小波变换并结合皮尔逊相关系数进行信号的提取。其次，研究了提取信号的样本熵与系统工作状态变化的关联关系，并讨论了经验小波的分解层数和样本熵的维数对分析结果的影响。最后，通过将白噪声加入原始信号以验证该方法的抗干扰性能。研究结果显示：当系统由稳态进入喘振状态时，系统出口动态压力的样本熵表现出明显的突变特性，其值由0突变至0.7左右。从系统参数的选择角度，样本熵维数的变化对系统特征的分析影响较小。并且，采用该方法抗干扰性能较好。     

离心压缩机密封及空腔流动的一维/三维耦合建模研究

为了在保证数值预测精度的同时降低离心压缩机的建模复杂度,以一维密封泄漏计算替代完整的密封及空腔建模,开展了离心压缩机盖盘密封及空腔流动的源项建模方法研究。结果表明:基于源项方法的密封及空腔简化建模仅需在主流道建模基础上施加泄漏质量流量、总温和摩擦损失源项边界条件,即可较高精度地还原完整的盖盘密封及空腔建模的性能和关键流动细节。与完整建模相比,在全工况下源项建模预测的等熵效率的绝对偏差小于0.65%,总压比和等熵效率的相对性能偏差小于1%。该方法可在满足下游部件匹配设计精度需求的同时,减少50%以上的网格数量,并显著提高计算的经济性和收敛性。泄漏流量的计算精确度是影响源项建模法性能预测准确性的最关键因素,耦合建模可以采用一维计算中推荐的密封泄漏系数值。      

叶轮机械全环非定常大规模并行模拟程序设计

为了更加精确地模拟叶轮机械内部复杂的三维非定常流动,开展了全环网格模拟方法探索,提出了针对滑移面的守恒变量插值和高效的大规模并行计算解决方案。基于千万亿次高性能计算平台,自主开发了非定常数值模拟程序,采用单级压气机、1.5级涡轮和3.5级高负荷压气机三个算例进行了程序的验证与确认,以及并行效率测试工作。模拟采用的最大网格数为2亿,计算核心数为4096个。结果表明:程序计算得到的整体气动性能与试验数据吻合良好;程序所采用的全环非定常计算模型能保证交界面处物理量的连续,削弱非物理熵增,得到更加可信的流场解;所采用的METIS的网格分区方法以及MPI并行策略使程序具有良好的负载均衡和并行效率;同时程序对超大规模的复杂问题具备良好的可扩展性和适应性,能够满足工程实际问题的流动分析和叶轮机械的精细流动研究要求。     

改进的离心压气机滑移因子模型

建立一种基于Qiu模型的改进的离心压气机滑移因子模型。该模型在Qiu模型的基础上，增添二次流项来修正滑移因子，同时考虑了出口叶片角与最大叶片角的差值及相应位置。采用亚声速叶轮Krain4、跨声速叶轮Krain6和IET200叶轮对该改进模型进行CFD验证，并对模型二次流项中常系数c的取值进行讨论。结果表明:与Qiu模型及其他传统滑移因子模型相比，该改进模型的精度较高，平均相对误差在2%以下，适用于亚声速及跨声速离心压气机。      

叶轮行波振动下的气动阻尼计算

为展开运动边界下离心叶轮流场的数值分析,独立开发了网格变形程序和非定常流动模拟程序,实现了流场中振动离心叶轮的气动阻尼计算。采用紧支径向基函数法进行结构到气动表面变形的数据传递,应用二叉树技术进行壁面距离的计算,大幅提高了网格变形和流场分析中距离搜索的计算效率。通过振动叶栅和径向叶轮的算例,验证了程序应用于运动边界流场计算和叶轮流场模拟的正确性。以半开式叶轮为对象,展开其在行波振动条件下气动阻尼的计算分析。结果表明,叶轮在前、后行波振动下的气动阻尼均为正,后行波振动引起的气动推力和气动阻尼较大,叶轮表面的平均气动功率密度呈现循环对称的分布特征。     

基于大涡模拟的离心式喷嘴雾化过程研究

为实现离心式喷嘴雾化过程的精确数值仿真，探究喷嘴内部流动特性与外部液膜破碎形式，采用基于大涡模拟的仿真方法，对一种典型的四进口离心式喷嘴进行研究，仿真结果揭示了喷嘴内部相界面的振荡现象与外部液膜的破碎细节，并通过耦合流体体积法（VOF）与离散相模型（DPM），获得液滴粒径的空间分布特征。研究结果表明：在液体填充过程中，喷嘴内的气液相界面存在波动与褶皱，形状并不稳定，内部的空气芯直径呈现正弦模式的振荡变化，喷嘴出口液膜厚度沿周向分布不均，这些因素导致出口附近的液膜表面出现扰动。在不同的进口条件下，不稳定性导致液膜表面上的扰动波形式不同。进口压力为0.3MPa时，液膜破碎由开尔文-亥姆霍兹（K-H）不稳定性产生的轴向正弦波所导致，产生沿周向分布的环形液带；在0.7MPa下，液膜表面开始出现由瑞利-泰勒（R-T）不稳定性引发的周向扰动波；随着压力增加至1.1MPa，液膜的破碎则由R-T不稳定性主导，产生沿轴向分布的液带结构，随后在气动力与表面张力的作用下破碎成液滴。二次雾化破碎后，喷嘴外部截面内的粒径呈“单谷”分布，液滴平均粒径计算结果与实验的最大相对误差为5.1%，与实验数据吻合度较高。     

离心压气机失速模式及自循环机匣处理的作用机制

通过对离心压气机不同转速下实壁机匣和处理机匣两种状态流场的数值模拟,研究了失速模式随转速的变化及不同失速模式下机匣处理作用机制的转变.结果表明:随转速的降低,失速模式由100%设计转速时的扩压器失速逐步向导风轮失速过渡,导风轮失速也经历了由80%设计转速时的端壁失速和叶片前缘失速向50%设计转速的通道大范围完全失速的发展过程.自循环机匣处理对离心压气机失速裕度和效率的影响都与失速模式紧密相关,其扩稳作用仅对80%设计转速时的叶片前缘失速有效.在80%左右设计转速,机匣处理使主流效率有朝大流量工况点变化的趋势,从而使效率降低.当转速低至50%设计转速时,主流通道形成大范围回流区,机匣处理的二次回流可以减少叶轮对通道回流区气流的做功量,从而提高效率.     

电火花加工技术在小型闭式三元叶轮制造中的应用研究

针对难切削材料以及流道结构复杂扭曲的小型闭式三元叶轮带来的机械加工难题,提出一种应用多组成形电极组合完成一个流道的电火花整体加工方案.本文重点论述了电火花加工总体方案设计及关键技术,包括工艺流程设计、电极和运动轨迹的设计、工装夹具设计及电火花加工参数的选择与优化.结果表明,多组成形电极组合电火花加工方法成功完成了某型号压缩机闭式三元叶轮实际生产,加工精度及性能试验满足设计要求.     

离心压气机内不同非定常源影响实验研究

使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了处理,对离心压气机内扩压器势反冲效应和叶轮尾流的非定常影响进行了分离,采用＂逆频谱分析＂方法求解了不确定性非定常性,研究了离心压气机内不同非定常源的影响。结果表明,扩压器的势反冲效应同叶轮叶片的非定常影响处于同一数量级,扩压器的势反冲效应略小一些。扩压器的势反冲效应同叶轮叶片的非定常影响均是沿流向不断减小,且二者之间的差距沿流向也不断减小。叶轮叶片的非定常影响对扩压器叶片的位置较为敏感,靠近扩压器凸面侧的测点受叶轮叶片的非定常影响较大。径向间隙内不确定非定常度受扩压器叶片的反冲影响较大。     

静叶轮毂间隙对高压压气机气动性能的影响

为了考察静叶轮毂间隙对压气机气动性能的影响以及揭示静叶轮毂间隙流动增强压气机稳定性的机理,以某型发动机高压压气机中两级为研究对象,运用三维粘性稳态数值模拟方法重点考察了静叶轮毂间隙附近的流动情况,从能量损失角度进一步分析了不同大小间隙导致压气机性能优劣的原因.研究结果证明,适当大小的间隙可以削弱静叶近轮毂处二次流和旋涡运动,改善当地流动状况,从而减少能量损失,提高压气机性能,特别是能增大喘振裕度.这些积极作用有利于压气机高效、稳定运行.