风扇进气畸变三维非定常数值模拟技术研究

采用三维欧拉方程加体积力模型的方法, 发展了一套三维非定常进气畸变数值模拟程序, 以实现风扇/压气机在进气畸变条件下的全环面三维非定常数值模拟.利用该程序模拟计算了某航空发动机风扇进口稳态总压畸变条件下特性和流场结构, 并与试验结果进行了对比, 结果表明该程序用较小的计算机资源即可以实现对风扇全环面三维非定场畸变流场的模拟, 能够以较高的精度预估气流畸变对压气机/风扇特性的影响.      

非定常分离流动的Lagrange方法数值模拟

本文对Ｌａｇｒａｎｇｅ坐标系下的边界层方程进行了数值模拟。研究了静止流场中的线涡诱导的非定常边界层流动。数值结果表明，随着边界层接近分离，确实出现了有限时间奇性。流动在驻定点附近很窄的区域内堆积，并在垂直壁面方向迅速增长，形成一脉冲似的突跃。基于此现象讨论了非定常分离的性质和三种分离模式。采用Ｌａｇｒａｎｇｅ方法能很好地说明有限时间奇性，便干精确地给出分离的定义和判据，而且物理常清楚。Ｌａｇｒａｎｇｅ方法有着明显的解析和计算上的优点。     

双级风扇三维粘性非定常流动的数值解

针对一台双级跨音速轴流风扇动静叶片排相互干扰的三维非定常流动,进行了N-S方程的数值求解。首先计算风扇定常流场,以定常流收敛结果为起始场计算非定常流动。计算结果表明,非定常流动对各叶片排进口气流角有较大的影响,其中静叶的变化大于动叶,与定常流结果相比,非定常的瞬态攻角增大的量大于减少的量,最多时增大近10°左右。静子叶片受到的非定常气动力变化幅度也大于转子叶片,叶片排所处的轴向位置不同,非定常流动的影响会有较大的差别。      

非定常环境中叶栅总压恢复系数的数值研究

利用以Ni格式和隐式双时间步法求解二维非定常N-S方程为基础的数值模拟方法研究了流动的非定常性对涡轮叶栅总压恢复系数的影响,并与文中提出的定常模型和准定常模型进行了对比。结果发现,非定常流动能够提高叶栅的总压恢复系数,但这是建立在与准定常流相比较的层面上,而和定常流比较时,非定常流只会使总压恢复系数下降。      

透平机械空穴漏气非定常流动的数值模拟

为了解空穴漏气在透平中非定常流动,对某型带空穴漏气单级透平进行非定常数值模拟,计算格式采用包括LU-SGS-GE隐式格式和改良型高精度、高分辨率的MUSCL TVD格式的时间推进算法,非定常计算采用Jameson双时间步隐式迭代法.计算结果表明空穴漏气随着二次流的影响沿着动叶吸力面一侧向下游输运,输运过程中会不断沿径向向外迁移.由于空穴漏气的射入,非定常效应在动叶叶根处要比中间截面处明显,而且随着漏气向下游的迁移,非定常效应也逐渐削弱.      

热斑在1-1/2级涡轮内的非定常迁移数值模拟

对典型的1-1/2级高压涡轮叶栅,通过求解二维非定常N-S方程研究了燃烧室出口热斑对涡轮一级动叶和二级导叶流场和温度场的非定常影响。计算表明热斑的存在对涡轮级型面时均压力的影响微小,但是会显著地增大一级动叶和二级导叶型面压力随时间波动的幅度。计算印证了热斑会导致涡轮一级动叶压力面严重过热的结论,并显示在二级导叶上会出现与一级动叶类似的压力面过热现象。      

涡轮级内湍流度影响的非定常数值模拟

通过求解二维雷诺平均Navier-Stokes方程，数值模拟了不同进口湍流度下的涡轮级中的非定常流场及温度场。结果表明，增大湍流度对叶栅通道内时均压力分布影响很小，但是对涡轮级中的温度分布会产生很大影响，当涡轮进口有热斑存在时，增大湍流度将会使热斑中的热流体温度扩散更快，从而叶栅通道中的温度场分布趋向均匀，同时动叶压力面侧与吸力面侧的时均温度差别减小，沿动叶统长方向上的温度分布也更平缓。     

二维涡轮级的定常/非定常数值模拟

为了解定常与非定常计算差别对工程应用参考价值的影响，本文通过求争二维Navier-Stokes方程，针对一级涡轮叶栅分别进行了定常／非常数值模拟。结果发现，对于叶片表面压力分布，第一排导叶定常计算与非定常计算得到一致的结果，但是在动叶上差别较大，尤其在叶排小间距时。当叶排间距拉大后，定常计算结果趋近于非定常计算结果时间平均值。     

平板附面层等离子体流动控制的数值模拟

通过求解电场中的拉普拉斯方程和赫姆霍兹方程的变形形式,成功地将等离子体激励对平板附面层流动的影响,以体积力向量的形式引入到NS方程之中.借助求解的电荷密度,通过将计算结果与实验数据的对比,可确定德拜长度、最大电荷密度、形状因子等可调参数的取值原则,建立起平板附面层等离子体流动控制的数值模拟方法,为将等离子体流动控制方法应用于外流及内流场中的强剪切流动控制,奠定关键性的技术支撑.      

氢气超音速燃烧非定常过程数值模拟

用有限差分法求解二维Ｎ－Ｓ方程和组分守恒方程，使用代数涡粘性湍流模型，两步化学反应模型和ＭａｃＣｏｒｍａｃｋ时间分裂法，模拟超音速气流中横喷氢气自动着火及火焰传播过程，清晰地描述了喷氢、火焰传播到主流、稳定燃烧过程中，温度、压力、速度和油气当量比的变化。计算结果表明，高温附面层和喷嘴前回流区能促使氢气自动着火，进口气流的静温是火焰向主流传播的重要影响因素。计算还证明了喷嘴后氢与空气两股流呈现平行流动，其间存在着强烈的湍流交换和化学反应边界层，超音速燃烧效率则主要取决于两股气流的混合速率。     

二维涡轮叶栅流场的直接数值模拟

采用高精度有限差分格式求解非定常N-S方程组,对低雷诺数下二维涡轮叶栅流动进行了直接数值模拟,计算了雷诺数为10000,VKI涡轮叶栅在0°,8°以及-8°攻角下的流场,对涡轮叶栅非定常流动机理做了初步的探讨。计算结果表明:在叶栅尾缘处,逆时针方向和顺时针方向的主涡交替在壁面产生,并和主流相互作用产生二次涡,而当二次涡与主流连通发生掺混时,将引起主涡被分割并从叶片表面脱落;攻角在一定范围内的变化对VKI涡轮叶片表面边界层发展影响不明显。文中还对尾迹区的统计量特性和速度亏损特性等进行了研究。      

进口热斑对涡轮级影响的非定常数值模拟

通过求解二维N-S方程对涡轮级进口有温度畸变时的流场和温度场进行了非定常数值模拟。由于叶排间的相互运动,使叶片表面压力和叶栅通道内的流场呈周期性地变化;当涡轮进口有热斑时,热斑中的气流总温要高于周围气流温度,在通过涡轮级时,热斑中的高温气流会向转子压力面上迁移,导致转子压力面上产生热点。热斑的存在对涡轮级中的压力分布影响很小,但是严重影响温度场的分布。同时进口热斑相对导叶的位置对叶片表面温度的分布也有很大影响。      

向心涡轮内部流动数值模拟分析

利用三维数值模拟方法对向心涡轮内部流动进行数值模拟,分析了岛型导叶的气动特点、通道中的二次流动和各个涡系的发展以及不同叶尖间隙对流动的影响。结果表明:在一定范围内岛型导叶对气流角变化不敏感;在靠近动叶进口处二次流动比较明显,流动比较复杂,而通道中各个涡系的演化发展都集中在靠近动叶吸力面一侧;随着的罩壳半径的减小,动叶叶尖处间隙流动逐渐增强;适量的间隙流动有利于改善通道顶部区域流动。      

涡轮级轮缘封严内非定常流场的准三维LDV测量

研究涡轮级封严内流动和主流的相互作用、相互影响,进一步认识盘腔内燃气入侵等非定常现象,急需流场实验数据验证。针对轮缘封严内空间狭窄、光路安排困难等问题,本文发展了一种用于测量涡轮级轮缘封严内非定常流场的准三维LDV技术,即测量分两步,首先在机匣上安置二维测速系统用符合方式测出径向、切向速度及湍流度,再在轮毂内安置一维探头重复测量,从两次测量数据中计算出轴向速度;该技术借助锁相采样等技术能测出不同动静叶相对位置情况下封严及盘腔内的周期性非定常流场细节,本文给出了部分典型的动态流场测量结果。      

某汽轮机弯曲叶片级的改型计算及流动分析

在四种不同弯曲静叶方案下利用CFD流场计算软件NUMECA对某汽轮机弯曲叶片级的内部三维流场进行了数值模拟。根据数值研究结果分析了不同弯静叶方案下级内流动特性、气流参数的变化,给出了四种静叶方案的级效率。研究表明本文采用的弯导叶方案没有提高级效率。本文最后分析了叶片弯曲对静叶栅内马蹄涡位置与流动结构的影响。      

高压涡轮全环非定常流动数值模拟

为了进一步准确地掌握涡轮内部复杂流动特征,采用全环非定常数值模拟方法研究了某型高压涡轮内部非定常流动,重点分析了上游导叶尾迹和激波在动叶流动中的非定常作用机制,探讨了引起动叶通道内及叶片表面压力分布周期性变化的非定常扰动。数值结果表明:与尾迹作用相比,由导叶激波引起的非定常效应更为明显,尾迹引起的非定常扰动在动叶0.5倍轴向弦长位置下游较为突出。在动叶流场中及叶片表面上的静压变化显示,在动叶通道内还存在低频扰动,对局部流场的非定常扰动明显。最后指出,在非定常计算时采用区域缩放法对流场中非定常扰动的预测存在一定误差。     

非定常流动对叶片表面负荷分布影响的数值模拟研究

叶轮机内部非定常流动与叶片表面负荷分布之间的关系对于叶轮机的设计非常重要。本文利用数值模拟手段对单级轴流涡轮内部非定常流动进行了模拟,研究了上游叶片排尾迹和位势作用对下游叶片表面负荷分布的影响,并分析了尾迹在下游叶片通道内的演化图画。计算结果表明涡轮级环境中,上游叶片排的尾迹等对通道内部流动,叶片边界层流动损失的产生、发展和输运,以及下游叶片表面吸力面负荷分布产生明显的影响,需要在设计中加以考虑;本文还探讨了非定常效应应用于设计的可行性和思路。