基于非交错有限体积格式和 k-ω 湍流模型模拟叶栅湍流分离流动

发展了一种求解任意坐标系下二维Ｎ－Ｓ方程的非交错有限体积法和一种高阶ＴＶＤ对流格式。采用一种ｋ－ω湍流模型和几种不同的ｋ－ω模型对叶栅湍流分离流动进行了详细的分析。数值结果与得到的实验结果比较表明,此方法不仅精度高,而且具有较好的数值稳定性。     

弯-掠叶片对压气机叶栅端壁流动的控制作用

利用数值和实验方法对气动弯掠在压气机叶栅中的作用机理进行了研究。结果表明,相对于网格数目和网格类型,进、出口边界条件和湍流模型对计算和实验结果吻合的影响要大。叶片前掠改变了叶栅的三维压力场,使得低能流体重新分配。正弯与前掠的结合进一步加强了这种控制作用,为叶片设计提供了一个自由度。     

分区和有限容积法计算长尾喷管中的湍流流动

为了给长尾喷管热防护结构设计提供热边界条件，从轴对称二维雷诺平均N－S方程出发，采用分区算法和有限容积法计算了长尾喷管中的湍流流动，分析了流场的结构特性，提出了长尾喷管中燃气温度，压强和马赫数分布的某些规律以及燃气温度沿壁面的分布，计算和分析结果提出了长尾喷管热防护结构设计应注意的事项。     

低雷诺数下涡轮叶栅流动分离实验与数值模拟

应用实验测量和数值模拟相结合的方法,研究了低雷诺数条件下高负荷涡轮叶栅吸力面的流动分离。通过对叶片表面压力系数、叶栅出口尾迹以及叶片表面气流分离位置和重新附着位置的比较发现,计算结果与实验结果吻合得相当好。应用本计算方法,对低雷诺数条件下雷诺数和来流湍流度对涡轮叶栅的流场的影响作了准确的模拟,对叶栅吸力面的气流分离、再附等做出了预测。实验研究和计算结果都表明,低雷诺数条件下叶栅损失的急剧增大是由于在低雷诺数条件下叶片吸力面发生了气流的分离,雷诺数越低或者进口湍流度越低,叶片吸力面的气流分离就越严重,由此导致的叶栅损失也就越大。     

高负荷轴流压气机叶栅二次流动与损失关联性探讨

为探讨压气机中二次流与损失生成的关联性,对一高负荷轴流压气机叶栅开展数值模拟研究。首先对叶栅流动进行定性分析,在此基础上推导定量模型估算流场中的损失源,并由此获得二次流动诱发损失的机理与影响。研究结果显示,在大部分攻角范围内,二次流诱发的损失未超过50%。相对于二次流间接作用于低速流而诱发的损失而言,其直接耗散产生的损失仅为小量;在角区失速时的详细观测也显示,通道横流的流向变化,也即二次流对低速流间接影响的变化是导致通道内损失随攻角激增的主要原因。     

求解跨声速压气机叶栅粘性流动反问题的数值解

阐述了一种以有限体积的时间推进方法为基础求解跨声速压气机叶栅设计的反问题方法。应用这一技术设计叶型,规定叶片表面无量纲目标速度分布,通过比较目标速度分布和计算获得的速度分布来修改叶片压力面和吸力面的坐标,最终获得要求的叶片形状。计算程序使用分布体力方法模拟粘性,用局部时间步长和多重网格方法加速收敛。还介绍了这种方法求解的基本方程系统,并给出了采用这种方法设计的无激波超临界跨声速压气机叶栅的设计结果。     

高亚声速下附面层抽吸控制压气机叶栅流动分离的研究

为研究高亚声速下附面层抽吸参数对流动分离控制的效果和机理,以高负荷扩压叶栅为研究对象,通过数值方法研究了抽吸布局和抽吸流量对叶栅内部流动分离控制效果的影响.结果表明,附面层抽吸能够显著改善叶栅内部流动,降低因附面层分离和端区角区分离、相互掺混造成的流动损失;高亚声速下附面层抽吸的最佳位置在附面层充分发展区域而非分离起始...     

大曲率弯道和叶栅内的湍流数值模拟

本文在贴体曲线坐标系下应用非交错网格技术，发展了适于求解复杂流动的压力修正算法，采用速度的协变物理分量为动量方程的求解变量，推导得出一个适于任何曲线坐标系下控制单元体界面流通量的插值模式，可以有效地抑制不合理的波动压力场，计算表明，算法稳定收敛，计算值与试验值吻合良好，同时能预示通道内复杂的流动现象。     

涡轮叶栅流动和传热耦合计算

通过求解三维雷诺平均N-S(Navier-Stokes)方程和带转捩模型的二方程SST(Shear stresstransport)湍流模型,完成了带简单冷却的MARKⅡ涡轮导向叶栅流动和传热耦合计算.计算结果与试验数据的对比表明,发展的带转捩模型的数值方法明显地提高了叶栅温度和外换热系数的计算精度.同时研究发现,湍流模型对叶栅表面压力分布影响很小,而对叶栅表面温度和外换热系数影响很大;在其它边界条件相同的情况下进口湍流度对壁面压力几乎无影响,但对叶栅温度和外换热系数影响较大.      

平面压气机叶栅通道分离流动高精度直接数值模拟

采用高精度有限差分格式直接求解二维Navier-Stokes方程组,数值模拟V103平面压气机叶栅分离流动,数值结果表明:在瞬时流场中,吸力面后部发生流动分离,在分离区前端存在大尺度分离涡,分离涡下游是由二次涡和脱落涡交替形成的涡串,直至叶片尾缘,形成以脱落涡为主结构的尾迹;在时均流场中,吸力面后部存在短分离泡,分离区压力分布存在明显压力平台。与逆压力梯度下平板边界层分离流动相比,瞬时和时均流场结构相似;叶栅通道内无量纲涡脱落频率是前者的两倍。与文献计算结果对比表明:叶片表面压力分布除分离区外吻合很好;非定常计算所得分离区轴向长度比定常计算大41%。在分离区内三个二阶统计量均达到最大值,表明流场强非定常性集中在分离区。     

应用不同湍流模型计算叶栅流场的结果与比较

采用有限体积TVD-LW格式求解N-S方程,使用了B-L模型、高雷诺数k-ε模型和低雷诺数k-ε模型等多种湍流模型。并且用具体算例说明本文所用程序的可靠性,比较了3种的湍流模型的特点。B-L模型最大的优点是简单、使用方便。k-ε方程适应性强,分为低雷诺数k-ε方程和高雷诺数k-ε方程两种。高雷诺数k-ε方程比低雷诺数k-ε方程精度略低,但所需计算时间和存储量都比后者小,网格也可以粗些。k-ε模型对粘性层、分离区有比较高的分辨能力,高雷诺数k-ε模型比较适于一般数值计算。      

基于数据同化的试验数据驱动的叶栅流场预测

为了更精确地预测压气机叶栅流场,发展了一套基于两步集合卡尔曼滤波数据同化方法的试验数据驱动的流场预测框架。首先使用测试函数校验了集合卡尔曼滤波算法的准确性,并探讨了各超参数的选取准则,分别使用S-A和SST湍流模型对MAN GHH叶栅在设计马赫数不同攻角工况下流场进行了试验数据驱动的流场预测,预测流场与试验测量结果高度相符。结果表明：相比原始参数的预测结果,数据同化校正后的流场与试验测量结果的偏差减小了将近70%;对于多数工况校正后流场叶片吸力面尾缘分离泡尺寸明显减小,分离起始点延迟,2种湍流模型校正流场的来流边界条件、流场物理量分布具有较高的一致性,表明试验数据驱动的流场对湍流模型的依赖性较低。     

扫频式射流对设计工况压气机叶栅流动分离影响的数值研究

高负荷压气机中的大尺度流动分离是导致其性能下降的主要原因,通过数值方法研究了扫频式射流控制角区分离、减小气动损失的效果,并以模型方程代替实际射流器,讨论了扫频式射流的基本控制参数对压气机叶栅流场控制效果及气动性能的影响。结果表明:扫频式射流使得流场呈现出稳定的周期性变化趋势,且存在一个扫频频率,使得超过该频率后的控制效果趋于稳定;合理选择扫频激励参数对实现流动分离的控制至关重要。在本文的方案中,采用较小的扫频射流角和射流流速能取得较好的控制效果,而更大的最大扫频摆角能强化这种控制效果,时均总压损失最大减小6.1%;扫频式射流能够在更大范围内提高吸力面边界层低能流体的动能,以更好地限制角区分离沿叶高方向发展,从而改善对角区分离的控制效果。     

来流边界层对压气机平面叶栅角区流动的影响

为更准确地预测压气机静叶角区失速以及为角区流场优化提供理论支持,在压气机平面叶栅环境下,利用数值模拟和实验验证方法,研究来流边界层厚度变化对角区流场及角区失速特性的影响。在角区失速前后的典型工况,利用总压损失系数和折转角的展向分布显示不同流场结构引起的性能变化;利用表面极限流线、总压损失云图和Q判据等手段显示角区涡结构特点。结果表明,当来流边界层厚度从1%展长增加到25%展长时,角区失速提前3°攻角发生,叶栅低损失工作范围缩减近30%。而在角区失速发生后,来流边界层厚度变化对角区失速结构没有明显影响,但仍会增强叶栅内其他区域的二次流效应。     

非轴对称端壁下高负荷压气机叶栅二次流动分析

探讨了高负荷压气机叶栅中应用非轴对称端壁的有效性.首先利用NUMECA/Design3D优化软件包来完成了对端壁的优化,然后推导并建立了高负荷压气机叶栅出口含全部掺混损失的二次流损失的计算方法,最后在设计攻角和非设计攻角下对轴对称端壁和非轴对称端壁结构的高负荷压气机叶栅内部及出口流场进行了详细的分析.分析结果表明:在设计攻角和非设计攻角下采用非轴对称端壁均能改变端壁附近载荷分布、降低叶片通道的二次流动损失;在设计攻角下使叶栅周向质量平均总压损失减少约为9.4%,在非设计攻角(±3°)下分别减损7.7%和11.8%;当非轴对称端壁幅值为4%叶高时,二次流动损失最小.      

BVF在吹气控制压气机叶栅分离流中的应用

结合边界涡量流(BVF),对叶片开缝吹气的方法控制扩压叶栅流动分离进行了数值模拟.结果表明,叶片开缝可有效的吹除附面层内的低速气流,从而弱化或消除流动分离,提升性能.对叶栅开缝位置、开缝角度及缝隙宽度等影响因素的组合研究,获得了最佳开缝方案.BVF气动分析显示,叶片吸力面上高的BVF正峰值是大尺度分离发生的预兆,最佳开缝位置在BVF正峰值之后,分离点前后的一段区域,通过选择合适的位置,可取得在最大工况范围的最佳效果.      

叶尖泄漏与压气机叶栅三维角区分离相互作用实验研究

为了进一步揭示叶顶泄漏与压气机叶栅三维角区分离流动的相互作用机制,采用五孔气动探针测量了叶栅出口截面气动参数,并对机匣端壁静压进行了测量,详细分析了不同间隙尺寸及来流角度时压气机叶栅间隙流对角区三维分离流动的影响机理.研究结果表明,适当大小叶顶间隙引入的泄漏流阻止了端壁二次流动与叶片吸力面附面层之间的相互作用,移除了三维角区分离,改善了叶栅性能.随着叶顶间隙尺寸及叶栅内气流折转程度的增加,叶顶泄漏涡与上通道涡间的相互作用程度逐渐增强.     

环形叶栅内利用非定常激励减少分离区损失的研究

阐述了在环形扩压叶栅内利用非定常激励减少分离区损失的实验研究成果。在测得各个工况下环形叶栅的分离旋涡频谱特性的基础上，采用施加声激励的实验手段，系统研究了扩压环形叶栅内流动与非定常扰动之间相互作用的机理，证实了一定条件下的非定常扰动能促使叶栅分离区的减小，从而降低总压损失，达到提高气动性能的目的。分别从激励频率和强度的角度出发，探索了影响激励效果的途径。     

局部/组合抽吸对压气机叶栅分离流动控制的机理研究

为了研究不同抽吸形式对压气机内部分离流动的控制效果和机理,基于数值模拟方法,对内部同时存在角区分离和附面层分离的直列叶栅进行抽吸计算,共设置8套不同的方案进行了详细的探究。结果表明:对于控制分离的效果和机理,不同抽吸形式之间存在着一定差异;在分离发展的不同阶段,实施抽吸对其控制效果也有所不同。近端壁吸力面抽吸方案SS3同时减小了角区分离和近端壁处的尾缘附面层分离,尾部近吸力面沿展向静压分布为正"C"型,使角区内的低能流体向叶中流动,角区流动得到改善,但导致叶展中部流场的恶化;端壁抽吸和全叶高组合抽吸则使尾部近吸力面静压沿展向分布更均匀,低能流体的迁移现象减弱。基于以上结果可得:组合抽吸可以更有效地控制叶栅内部流动分离,降低损失,提高叶栅流通能力。     

附面层抽吸对叶栅角区分离流动的控制研究

为研究附面层抽吸对叶栅角区分离流动的控制效果和机理,以高负荷轴流压气机叶栅为研究对象,基于数值方法深入分析了不同抽吸方案对叶栅角区流场的影响以及叶栅攻角特性随抽吸流量组合的变化规律。结果表明:不同抽吸方案对叶片通道中的分离流动的控制机理不同,进而会影响叶片负荷及扩压能力;将吸力面抽吸与端壁附面层抽吸结合起来的组合抽吸方案基本消除了位于叶栅吸力面的附面层分离和角区分离,叶栅叶型损失系数显著降低,在5°攻角下,当吸力面抽吸量为1.88%,端壁抽吸量为0.82%时,损失系数相较于原叶栅降低约63.8%;并且进一步研究发现各抽吸槽的抽吸流量均存在其最佳临界值;在进行组合抽吸时,应针对不同攻角工况,在其相应的临界值范围内选择合理的抽吸流量,以达到用较小的吸气量实现对叶栅分离流动的控制。