一种大负荷低压涡轮叶型的气动性能

基于Lantry-Menter转捩模型,分别对Zweifel升力系数为1.2的一种大负荷低压涡轮叶型在定常来流不同湍流度、雷诺数条件下,上游非定常、周期性尾迹作用下的流动进行了数值模拟.计算结果表明,定常来流低雷诺数条件下,湍流度对该大负荷叶型的气动性能影响较大;上游非定常、周期性尾迹对叶型吸力面分离泡的抑制作用可进一步减小低雷诺数条件下的叶型损失.计算结果揭示了该大负荷叶型在低压涡轮内部真实流动环境中的表面流动及损失特征,对国内现行低压涡轮设计有着较好的启示.      

叶型偏差对涡轮性能影响的非定常数值模拟研究

叶型的加工和装配误差难以避免,这将对涡轮的气动性能产生一定的影响.采用定常和非定常数值模拟结合整机实验的方法,研究了叶型偏差对涡轮气动性能及内部非定常流动细节的影响,并比较了定常和非定常计算结果的差别.研究结果表明:在整个工作范围内,叶型偏差都会造成涡轮性能的明显下降,通道涡和泄漏流的发展、前缘吸力峰的强度、激波的形态和强度等流动结构以及叶排间的非定常相互作用都会随叶型的变化而显著改变,而非定常数值模拟对涡轮气动性能和流动结构受叶型偏差影响的捕捉更为准确.     

叶型偏差对涡轮性能影响的非定常数值模拟研究

 叶型的加工和装配误差难以避免,这将对涡轮的气动性能产生一定的影响。采用定常和非定常数值模拟结合整机实验的方法,研究了叶型偏差对涡轮气动性能及内部非定常流动细节的影响,并比较了定常和非定常计算结果的差别。研究结果表明：在整个工作范围内,叶型偏差都会造成涡轮性能的明显下降,通道涡和泄漏流的发展、前缘吸力峰的强度、激波的形态和强度等流动结构以及叶排间的非定常相互作用都会随叶型的变化而显著改变,而非定常数值模拟对涡轮气动性能和流动结构受叶型偏差影响的捕捉更为准确。     

大负荷低压涡轮叶型分离转捩流动的大涡模拟

应用动力模式大涡模拟数值方法,对来流无扰动、不可压、雷诺数为5×104(基于进口速度和轴向弦长),定常来流条件下大负荷低压涡轮叶型(Pak B)叶型吸力面非定常分离转捩流动进行了三维数值模拟。在与相关实验数据的对比基础之上,对非定常流动物理信息进行了详细的分析讨论,揭示了计算来流状态下的Pak B叶型吸力面非定常分离转捩流动机理。结果表明,由无粘Kelvin-Helmholtz机制产生的、空间线性增长的初始二维不稳定性在分离剪切内诱导展向旋涡形成并脱落,脱落过程中的展向涡在非线性增长的三维不稳定性作用下发生变形并最终破碎成湍流。计算得到的Kelvin-Helmholtz不稳定性特征频率处于相关实验测量范围内。     

轴向间距变化对低压涡轮定常与非定常气动性能影响的数值研究

为了研究不同轴向间距下定常计算与非定常计算间的差异,以表明在涡轮设计中进行非定常计算与分析的必要性,对高负荷低压涡轮级进行了在不同轴向间距下的定常和非定常流动的数值模拟研究,并通过分析动静干涉条件下轴向间距变化对涡轮气动性能的影响并与定常条件下间距变化对气动性能的影响进行对比。结果表明:只有在某个合适的轴向间距范围内,定常计算结果才具有较好的参考价值;轴向间距的增加使得动叶正、负攻角都有减小的趋势,有利于改善动叶的流动状况;非定常流动的动量掺混损失具有其逆效应,它使动叶端部横向压力梯度减弱,二次流损失下降。     

动静叶相互干扰非定常流动特性的数值研究

本文对动静叶相互干扰的非定常流动特性进行了数值研究。研究内容主要涉及两个特定的方面：一方面对叶型优化前后在动静叶干扰的非定常流动条件下的性能进行比较，另一方面对非设计工况有大分离流动的动静叶干扰的特殊性进行研究。     

基于N-S方程的非定常地面效应研究

研究了二维翼型在移动地面和固定地面条件下的地面效应及流动特性问题.流场求解采用雷诺平均N-S方程,湍流模型采用k-ω和SST模型.对NACA0015对称翼型在离地速度为1 m/s情况下的非定常绕流进行了计算,选取移动地面条件下不同高度的定常解与非定常计算结果进行了比较.结果表明,考虑非定常效应时升力和阻力的变化明显小于定常解的结果,相对而言力矩的差别较小,固定地面条件下的升力系数和阻力系数略大于移动地面条件下的计算结果.     

基于雷达散射截面约束的气动优化设计

采用拉格朗日乘子法优化设计了雷达散射截面约束条件下的锥形融合气动外形.拉格朗日乘子法中的极小化问题采用动态演化的优化设计方法求解.该方法是一种基于非定常演化的优化设计方法,即在求解非定常流动支配方程的时候同时履行优化过程,较其它基于定常解的优化方法具有高得多的计算效率.其中的雷达散射截面通过求解非结构的笛卡儿网格上的时域麦克斯韦方程来得到,而升阻比则通过求解锥形流方程来计算.通过优化设计,得到了M∞=8.0时,升阻比为4.98,雷达散射截面只有1.66m2的锥形融合气动外形.     

某涡轮级三维流场非定常数值研究

基于耦合Lantry-Menter转捩模型的SST(Shear stress transport)湍流模型,对某涡轮级在3个雷诺数工况下的全三维流场分别进行了定常、非定常数值模拟,目的在于对比分析两种计算方法所得结果之间的差异。计算结果表明,进口雷诺数为4×104时和5×105时,定常与非定常计算的涡轮级效率的差异较大,最大相差0.6个百分点,而当雷诺数为8×104时,两者差异很小;非定常计算能够较好的模拟叶尖泄漏涡的发展过程、低雷诺数下上游尾迹与下游转子叶片吸力面分离边界层干涉诱导卷起涡的形成、输运及其所导致的叶片吸力面表面压力大幅波动等非定常流动现象。最后,给出了转子出口截面上周向与径向的非定常压力脉动的分布,为基于Lighthill声类比方法的计算气动声学研究奠定了基础。     

孔式非定常脉动抽吸控制高负荷压气机叶栅内流动分离的参数研究

为了探索非定常脉冲抽吸在高负荷压气机叶栅中控制流动分离的应用前景,掌握非定常脉动抽吸在不同激励参数条件下的适应性和可行性,首先对非定常脉动抽吸的不同激励参数包括激励频率、位置、前向倾角和侧向倾角进行了详细的讨论和分析。然后,基于最优激励参数,将非定常脉动抽吸与传统的定常抽吸进行了比较分析。结果表明:在流动分离的控制中,激励参数起着重要的作用,当激励参数在相应的最优范围内气动性能才能被明显地提升,如果远离相应的最优范围,控制分离的效果将会减弱,甚至导致总压损失增加。当所有激励参数都是其最优值时,在时均抽吸率只有0.4%的情况下,总压损失减小了19%。基于最优激励参数,在相同时均抽吸量的情况下,相比于定常抽吸,非定常脉动抽吸在控制流动分离、改善气动性能上具有更大的优势。     

1+1/2对转涡轮全环非定常数值模拟

采用三维数值模拟方法对1+1/2对转涡轮进行了全环非定常计算,对比了定常结果与非定常时均结果的总体参数。在非定常流动中,分析了激波、尾迹、位势作用及泄漏流等因素对叶片表面负荷分布和局部区域流场的影响。结果表明:非定常效应对高压导叶流场影响很小;在激波、尾迹、位势作用等的共同影响下,高压动叶内流动呈现出较强的非定常性,二次流动增强;低压动叶方面,虽然与上游叶排轴向间距较大,但其流动非定常性依然显著,且受影响范围更广。     

局部进气ATR涡轮性能影响因素数值模拟研究

为研究局部进气条件下ATR涡轮内的流动特性,对局部进气涡轮进行定常和非定常数值模拟.定常计算采用冻结转子方法,改变动叶与静叶的周向相对位置研究涡轮内流场特征;改变进气扇区布局、进口参数和局部进气度,研究其对涡轮性能的影响.研究结果表明,对于给定局部进气度,进气扇区整体布局时,涡轮性能的优越性最大;在局部进气ATR涡轮的设计中,需要综合考虑流量、效率和功率3个因素来决定局部进气度.不同位置定常流动结果的平均值与非定常流动的时均值存在差异,非定常计算更好地展示了静叶尾迹和流动积累效应的影响,因而更加可靠.     

重型燃气轮机压气机多截面叶型优化设计

出于对叶型沿叶高方向的不同以及不同叶高处气动边界的不同两方面考虑,开发了一套叶片多截面叶型优化的设计流程.以单级高负荷压气机的进口导叶和大折转角静叶为优化对象,以多截面关联的性能参数为优化目标,采用考虑附面层转捩的MISES计算程序对叶型气动性能进行分析,并通过遗传算法对叶片进行优化.结果显示:在有效工作范围内,各截面叶型经优化后,前部负荷提高,中部及后部负荷降低,性能得到一定提升.三维数值模拟结果显示,在无大尺度二次流动的条件下,多截面叶型优化方法对提升叶片性能切实可行.      

2级涡轮内部流动定常与非定常计算差异研究

为获取进而认识涡轮内部流动状态,以某2级约化形式的动力涡轮为研究对象,分别对其进行定常和非定常数值计算和分析.研究表明:定常计算与非定常计算对涡轮内部流动的模拟结果,如叶片表面的压力分布、叶排进出口的气流角、叶片通道中的二次流流向涡、展向涡、叶片通道中的损失等,均存在差异;流动的非定常性越强,定常与非定常计算结果的差异越大,且该差异大小对于静叶与动叶呈相反的展向分布规律.     

单级跨音速压气机三维非定常粘性流动计算

本文以数值求解雷诺平均非定常N-S方程方法完成了单级跨音速压气机动静叶相干三维非定常粘性流动计算,给出了高分辨率NND格式的时间推进有限差分解。对某跨音速单级压气机进行了定常和非定常流的详细数值计算,设计转速下定常粘性流场计算所得到的性能参数与实验结果吻合较好。在此基础上,对最高效率状态进行了动/静叶相互干扰的非定常流动计算,并对结果进行了分析。      

基于表面粗糙度的超高负荷低压涡轮叶片附面层控制

实验研究了表面粗糙度对PACKD-A低压涡轮叶型损失及附面层特性的影响.实验分别在定常来流与非定常条件下进行,非定常条件下的上游尾迹通过运动的圆棒来模拟.粗糙叶片通过在光洁叶片表面切槽,埋入砂纸制作成型.叶型损失与吸力面载荷使用气动探针与壁面静压孔结合压差传感器来测量,附面层流场使用热线探针来测量.结果表明:覆盖5.2%吸力面弦长(起始于44.3%吸力面弦长,终止于49.5%吸力面弦长),粗糙高度为8.82μm的控制方案在非定常条件下效果最佳,该方案可在整个考察雷诺数范围内(3×104~12×104)降低叶型损失;覆盖19.5%吸力面弦长(起始于30%吸力面弦长,终止于49.5%吸力面弦长),粗糙高度为20.91μm的控制方案在定常条件下效果最佳,该方案可在低雷诺数范围内(小于8×104)降低叶型损失、扩大叶型正常工作雷诺数范围,但在高雷诺数下(大于8×104),却带来了一定的额外损失.      

变攻角下端壁非定常脉动抽吸对高负荷压气机叶栅性能的影响

为进一步探究非定常脉冲抽吸控制高负荷压气机叶栅流动分离的机理,考察非定常脉动抽吸在变攻角下的适应性和可行性,采用非定常数值方法,系统研究了变攻角下,非定常脉动抽吸对流场性能的影响,并将其与传统的定常抽吸进行了比较分析。结果表明,在设计攻角下,保证相同的时均抽吸量,非定常脉动抽吸控制效果明显优于定常抽吸;在时均抽吸量ms=0.4%时,在给定的激励频率范围内,非定常脉动抽吸都展现出更好的性能,在最优频率时,损失减小了9.4%,静压升提高了12.9%,相比于定常抽吸损失减小了4.2%,静压升提高了4.7%。在变攻角下,在给定的激励频率范围内,非定常脉动抽吸控制效果相比于定常抽吸仍具有较大优势;但大攻角下,非定常脉动抽吸和定常抽吸控制效果均有所下降。     

三维旋转效应对桨叶气动特性影响的计算

在旋转的作用下,流动分离向下游延迟,结果大大改变了风力机桨叶的气动特性,这种由旋转所带来的影响被称为三维旋转效应。本文以桨叶表面边界层理论分析的结果为基础,给出了三维旋转效应对气流分离影响的解析关系,将其与非定常气动和动态失速模型相结合,并适当考虑旋转条件下桨叶翼型载荷的分布特性,使其能计算三维旋转效应下风力机桨叶的非定常气动特性.通过算例表明,当这一三维旋转效应模型与非定常动态失速模型耦合后再计算桨叶非定常气动特性时,能大大改善计算结果。     

基于分离涡模拟的起落架气动噪声研究

用基于SA湍流模式的非定常RANS、分离涡模拟(DES)和延迟分离涡模拟(DDES)分别对四轮基本起落架模型进行了数值模拟,并根据所得的非定常流场计算了表面声压级分布和声压谱。三种方法所用的时间成本大致相同,URANS略低于其它两种,而DDES由于在附着流动区更好地保持RANS特性,故时间成本略低于DES。计算显示,非定常RANS在附着流动区能够得到合理的结果,但不能准确刻画分离流动的流动形态。DES和DDES都能较好地刻画起落架绕流的定常和非定常特性,DDES的结果略好于DES。因为起落架流动属于大分离流动,所以DES也能够得到相对正确的结果。研究结果验证了分离涡模拟在起落架大分离非定常流动预测与噪声预测中的可行性,对减小起落架噪声的方法研究具有一定的意义。     

基于动态边界控制的气动优化设计方法研究

本文根据控制变形物体边界变化的思想,建立了一种基于动态边界控制的气动优化设计方法,此方法通过在求解非定常流动方程过程中计算设计目标函数随设计变量变化的敏感性导数,这样在优化过程中不再需要求解定常流动方程,或共轭方程,从而使得优化过程得到简化并且便于在不同条件下应用.文中以二维翼型为例,用非定常欧拉方程为基本流动控制方程,针对两种优化设计问题,开展了翼型的优化设计,取得了良好的优化设计结果.