多级轴流压气机湍流和二次流径向掺混的简单统一模型及其应用

本文构造出一套新的统一表示湍流和二次流径向掺混作用的多级轴流压气机子午通流流场的模型方程组。除了掺混系数外,新的方程组没有其它的未知关联项,使得含径向掺混的多级轴流压气机子午通流的计算简单得多,相应计算机程序的计算时间只是无粘计算机时的约1.5倍。新方程组的数值结果与试验结果以及与则Gallimore掺混理论结果比较,表明新方程组的合理性和优越性。新方程组有严格的理论基础,不仅能用于亚音压气机,还可能用于跨音和超音压气机。      

含湍流和多种三维作用的多级轴流压气机子午流计算程序

径向掺混计算在高级负荷和低展弦比结构的多级轴流压气机流场分析和设计中具有重要作用。作者已用严格理论表明 ,这一掺混是由湍流和多种三维流动因素作用决定的。本文给出将这一严格理论转化成为工程计算程序的方程组、数值方法及有关细节。其中 ,给出耗散项的关联项、压力—速度关联项、密度周向非均匀变化量的处理方法 ,同时 ,引入一个新的转焓表达式以简化问题。计算结果与 5台压气机的试验结果相吻合 ,而且表现为优于其它理论的结果。此程序计算速度快 ,收敛性好。在一定的亚音流范围内可以投入实际应用并可望能获得好的结果。     

考虑端区黏性和径向掺混的流线曲率通流算法研究

高负荷多级压气机的技术难点之一在于如何快速、完整、准确地获得全工况下叶片前尾缘气动参数分布和整机特性结果,而通流计算凭借速度快、指向性明确的优点,一直是多级压气机设计的核心技术。为了提高通流代码的适用范围和预测精度,推导了统一适用于轴流、斜流、离心压气机的流线曲率方程,引入端区黏性和径向掺混模型,应用Fortran语言针对轴流压气机全新开发了其通流特性计算程序,对NASA Rotor37、Rotor67转叶和GY1-2J压气机进行了计算,计算结果表明:新模型的加入提高了程序的计算精度,初步验证了程序的有效性。并提出提高程序的通用性是今后通流计算的发展方向。     

考虑径向掺混的轴流压气机通流彻体力模型计算及验证

为研究考虑径向掺混对通流计算结果的影响,在通流彻体力模型中引入径向掺混项,并以某型低速轴流压气机为算例开展了有无径向掺混对通流计算结果的影响分析。结果表明:在落后角和损失系数相同时,径向掺混模型的加入使叶排出口气流参数沿径向的分布更加均匀;模型对于压气机后面级端壁区流动参数展向分布的预估更加准确。通过与该台压气机试验测量数据的对比,验证了本模型的可靠性。     

用平均N-S方程轴流压气机级通流数值计算

近代叶轮机准三元方法中子午流计算一直采用管流或通流的无粘流模型。发现多级轴流压气机后面级气流展向掺混重要现象之后,多级轴流压气机子午流场的计算在无粘流的基础上加上了二次流展向掺混的影响,它对多级轴流压气机特别是高压核心机后面短叶片级设计是很重要的。近年来,已经有成效地直接用N-S方程求解叶轮机中的流动问题[1、2](大多是叶栅流动问题),其重要目标似乎是较准确模拟叶轮机级中粘性流动和计算的工程设计应用。为此,我们提出用平均N-S方程和常用的紊流零方程或两方程模型来模拟叶轮机级与多级中通流的粘性流动,给风扇级和压气机级与多级准三元设计方法提供一个考虑粘性影响的通流计算工具,并提出了端壁条件一种有效的处理方法。      

多级轴流压气机彻体力模型——理论方法及简化应用

基于时间推进技术及有限体积法,将彻体力模型与基元叶栅法的思想相结合,提出了一个适用于预测大尺度进气畸变对多级轴流压气机气动性能及稳定性影响的三维数值计算模型。在进气条件轴对称的前提下,利用相应的简化模型重点分析了一台四级轴流压气机在均匀进气及叶尖径向总压畸变进气下的内部流场特征。均匀进气下的模型计算结果与相关试验结果相吻合。叶尖径向总压畸变进气下模型的计算结果表明:径向畸变在压气机流道内会发生显著的径向掺混作用,叶尖径向总压畸变对该压气机稳定性有显著恶化影响,随着畸变强度的增加,压气机稳定边界逐步下降。计算结果支持了该模型用于预测径向进气畸变影响的可能。     

轴流压气机考虑展向掺混的数值计算

为了更加准确地反映压气机内部流场的展向分布特性并提高计算精度,基于流线曲率法发展了1种考虑压气机内部展向掺混作用的计算方法。应用Gallimore-Cumpst y(G-C)掺混模型模拟紊流扩散的作用,在2维Cart er公式基础上引入改善的Rober t s修正模型对落后角进行预估,通过落后角反映二次流的作用,并对3级轴流压气机3S1进行了计算分析和比较。结果表明:不考虑掺混因素时所得计算数据的展向分布情况与实际流场相差较大;只有同时考虑紊流掺混和二次流2种因素,才能得到最优结果。该方法能够较好地模拟轴流压气机的展向掺混作用,得到更加贴近实际的气动参数分布,可为压气机设计和优化提供参考。     

轴流压气机子午流面计算中三维剪切作用的湍流模型

本文发展了一个轴流压气机子午流面二维计算中模拟三维剪切结构对子午流场作用的湍流模型。试验与这一模型进行了初步的比较。模型表明,在多级轴流压气机子午流场计算中,必须计入实际流场三维剪切结构对子午流场的湍流扩散作用。     

基于通流程序的低速模拟气动设计及数值验证

为了验证多级轴流压气机出口级性能,开展四级重复级低速模拟气动设计,并坚持以二维设计为主,三维数值验证为辅。利用相同的设计系统,建立了高低速压气机之间相似的二维流场和叶表无量速度分布。随后,低速与高速压气机三维数值计算结果对比表明,压升系数特性吻合,流场相似,且叶表无量纲速度由设计点到失速点保持一致的变化趋势,进一步验证了二维设计的可行性;利用相同的系统设计高、低速压气机,有利于形成高速-低速-高速的良性循环,有利于完善基于通流程序的设计体系,积累设计经验。     

多级轴流压气机特性的一种计算方法

本描述了多级轴流压气机特性计算的一种方法，流场计算采用流线曲率法解完全径向平衡方程。本在特性计算中引进了环壁附面损失模型，考虑了叶片去亏损力，二次流和径向间隙漏流等影响。采用了新的流场计算模型，流场计算稳定，收敛较快。并对计算结果与试验数据进行了对比，认为这种计算方法可以用于轴流压气机特性计算。     

中心进气的旋转盘平均换热特性研究

实际发动机的气冷涡轮盘结构被简化成具有中心进气的旋转盘模型, 以实验方法研究了旋转雷诺数Re、进气流量系数C_w、间隙比G和出气间隙比G_s对旋转盘表面平均换热特性的影响。在本实验范围内, Re较大时, 它对盘面的Nu有较为明显的影响;C_w的增大会提高转盘表面的换热能力;G和G_s对盘面的N_u影响较小。根据实验结果给出了一个计算旋转盘表面平均对流换热系数的经验关系式。      

来流边界层拟序结构对超声速混合层流场结构的影响研究

超声速混合层涉及可压缩湍流的根本问题,具有重要的应用背景。通过设计超声速混合层实验装置、应用新近提出的高分辨率NPLS测试技术,拍摄了来流边界层分别为层流和湍流流态下混合层的流向和展向流动图像。根据流动图像的特征,分析了混合层的流向与展向流场切面中拟序结构的成因;深入讨论了来流边界层中拟序涡结构与混合层涡结构的相互作用问题;比较了层流和湍流来流条件下混合层拟序结构的异同及其对混合效率的影响。结果表明：当来流边界层为湍流时,对应的混合层具有较高的混合效率。     

激波/湍流边界层干扰物面剪切应力统计特性

为了揭示激波/湍流边界层干扰区内物面剪切应力统计特性的演化规律,采用直接数值模拟方法对来流马赫数2.9、12°激波角的入射激波与平板湍流边界层相互作用问题进行了研究。通过与风洞试验数据的比较分析,验证了计算结果的可靠性。系统地探究了干扰区内物面剪切应力的典型特征,如预乘谱、概率密度分布和相干结构等。研究结果表明,分离激波的低频振荡运动对流向及展向分量的预乘谱均没有实质影响,其脉动仍以高频特征为主,低频能量变化较小。干扰区内流向剪切应力概率密度函数分布变化剧烈,分离泡内对数正态分布规律不再适用,而展向剪切应力在干扰区内与正态分布较为接近。相较于上游湍流边界层,分离泡内物面剪切应力矢量夹角与幅值的联合概率密度变化显著,峰值概率降低,峰值范围增大。此外,流向剪切应力脉动场的本征正交分解分析指出,主能量模态与分离激波的低频振荡以及下游再附边界层内的Görtler-like流向涡结构密切相关。     

一种基于数值计算的轴流压气机旋转失速稳定性模型——之二:简化模型及应用

提出了一个基于直接数值计算结果基础上的旋转失速线性稳定性模型,描述了如何从基本的Navier-Stokes方程出发,把轴流压气机流动稳定性问题转化为一个特征值问题的基本理论框架,对压气机不稳定边界的判断通过计算和检验特征值的方式来实现,给出了有限差分法和基于Gauss-Lobatto节点的谱配置方法两种数值离散的方式,并分析了这两种离散方式的收敛特性.     

二维超音速湍流混合特性研究

着重讨论顺流喷射情况下的超音速混合的流场特征及影响因素。简要介绍了顺流喷射混合的研究现状。同时，探讨了不同的来流参数对流场特征的影响及混合机理。计算采用了一种二阶ＴＶＤ格式有限体积法及Ｂ－Ｌ湍流模型求解二维湍流Ｎ－Ｓ方程。结果表明：所采用的计算方法能成功地抑制非物理振荡，适用于二维超音速内流的湍流混合特性研究。     

槽道壁湍流的展向振荡电磁力减阻控制的PIV研究

壁湍流主要表现为条带和流向涡为主要特征的拟序结构和间歇性的湍流猝发事件,这些都会导致壁面阻力的增加,因此,为了实现减阻,需控制或消除壁面附近的流向涡进而抑制湍流的猝发。在该研究中,利用展向振荡电磁力对槽道湍流的近壁流向涡进行控制,以达到减阻的目的;并利用PIV测试系统对其进行了实验研究,讨论了这种电磁力的减阻效果及其减阻机理。结果表明：展向振荡电磁力具有减小壁面阻力的功能,其减阻机理为展向振荡的电磁力可以使条带倾斜,在流场中产生附加的负展向涡,导致近壁区域平均流向速度梯度的减小,因此,壁面阻力减小。     

用于可压缩自由剪切流动的湍流混合长度

抓住可压缩流动变密度特性,构造出基于有效涡量的三维von Karman混合长度。湍流模型采用仅依赖湍动能k的单方程KDO(Kinetic Dependent Only)模型,引入新构造的混合长度替换旧尺度得到CKDO模型。为了验证其描述可压缩自由剪切湍流的能力,选择无壁面束缚、密度梯度大和可压缩效应强的自由剪切混合层为算例,其对流马赫数Ma_c=0.8。计算结果表明,KDO模型对混合层的速度分布有着良好的控制和模拟,而经可压缩修正后的CKDO模型与原模型及其他可压缩修正模型相比,所计算的速度分布、主雷诺剪切力和混合层厚度与试验结果更加接近,说明了该混合长度对可压缩混合层这种自由剪切湍流有着良好的刻画能力。