一种基于数值计算的轴流压气机旋转失速稳定性模型——之一:理论模型及算法分析

本文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。本文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。     

基于特征值理论的轴流跨声速压气机失稳预测

流动失稳问题是叶轮机械所面临的严峻挑战之一,而旋转失速是轴流压气机及压缩系统中普遍存在的一种典型流动不稳定状态。基于特征值理论发展了一个轴流压气机流动失稳开始点预测模型,应用谱方法和奇异值分解(SVD)算法求解所建立的特征值方程,通过特征频率的虚部判断压缩系统的流动稳定性。并通过一个高速单转子在高低两个转速时的算例,定量分析了流动压缩性对跨声速压气机流动失稳开始点预测的重要影响。该模型可在合理的精度范围内,以工程应用可接受的计算资源消耗来预测跨声速单级压气机旋转失速的开始点流量,同时不应用大量经验数据,为压气机设计阶段的稳定性评估提供指导。     

轴流压缩系统对非定常扰动响应的新模型

对进口非定常扰动条件下多级轴流压气机动态响应及气动稳定性进行了详细的数值分析。采用了目前广泛使用的逐级模型。基于逐级特性, 建立了该模型中叶片力和轴功的准定常计算方法并导出了基于特征线和MacCormack二步差分相结合的数值计算方法。应用本模型对两个多级轴流压缩系统算例进行了数值预测, 其结果与实验结果一致性较好, 表明了本文新模型是可行的。      

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。     

旋转总压畸变对压气机稳定性影响的三维非定常模型

基于三维非定常激盘模型,发展了一个可用于预测压气机动态失速特性及旋转总压畸变对压气机气动稳定性影响的三维非定常计算模型,并利用该模型计算分析了旋转总压畸变的幅值和旋转频率变化对一台双级低速轴流压气机性能和气动稳定性的影响.计算结果表明,旋转总压畸变的幅值和旋转频率对压气机的性能、动态失速过程特性和失速边界有强烈的影响;...     

轴流压气机引气后流场的数值模拟

选取了NASA Stage 35作为算例进行压气机引气数值模拟研究.通过对比验证了网格无关性和计算的准确性,应用两种数值实现方法分别进行圆孔和槽引气计算,两种数值方法的结果基本吻合.进行了两种引气方式（即圆孔和槽）的对比.结果表明:槽引气转子出口总压损失小,效果好于圆孔引气.应用NUMECA软件自带引气模块操作简单,容易实现.绘制引气管路网格增加了流道网格绘制的难度和计算边界条件设置的复杂度,但更加符合压气机实际的引气情况.引气后压气机效率 流量曲线整体上移,总压比 流量曲线下降,失速裕度有较大提升.      

压气机数字孪生模型中的仿真技术探索

仿真技术是构建压气机数字孪生体的一种重要手段。为了满足数字孪生过程中准确性和实时性要求,给出了压气机数字孪生模型中的数值模型完备性分析,探索了一种将高性能计算与全环非定常模拟相结合的压气机孪生仿真技术。采用数值完备性定义某S弯进气道中涵道风扇的数字孪生体,从边界条件完备性与几何模型完备性方面分析了不同数值模型对涵道风扇数值孪生结果的影响;再结合现代高性能计算技术提出了一种压气机数字孪生过程中的高效计算技术,并针对某15级压气机开展了多级全环非定常模拟仿真计算。结果表明：满足压气机数值模型完备性要求是实现压气机数字孪生体准确性的前提,同时采用2层次计算模型的高效计算技术是获得压气机孪生模型的一种有效手段。     

畸变进气下压气机三维黏性数值计算模型

通过对压气机环形无叶片通道求解带源项的N-S(Navier-Stokes)方程,实现对压气机全通道流场的计算,建立了压气机三维黏性非定常数值计算模型.源项是由三维计算流体动力学(CFD)求解器定常计算的气流参数计算得到,求得不同工作点源项大小,然后根据进口参数对源项插值得到当前计算点源项.采用该模型对某跨声速单级压气机在均匀进气下性能和流场的计算结果与实验结果进行了对比,两者能够较好的一致,验证了模型的可靠性;之后应用该模型对周向总压畸变进气下的流场和性能进行了计算,分析了畸变进气对压气机三维流场和性能的影响,并引入压气机失稳判据分析畸变对压气机稳定性的影响.      

包含处理机匣影响的压气机旋转失速稳定性模型

通过引入等价分布源方法,建立了处理机匣非定常壁面边界条件的数学模型,从而可以计算处理机匣对压力扰动波的影响。同时,将这一计算模块引入稳定性模型中,发展了可以包含处理机匣影响的稳定性模型。与某低压压气机以及NA SA的37号压气机的实验结果对比表明,所发展的三维旋转失速稳定性模型完全满足预测压气机稳定性的需求。此外,对37号压气机的数值计算表明,处理机匣的结构参数,如长度、背腔高度和壁面开孔率等都对稳定性有影响。理论上表明可以通过设计这些结构参数达到扩大压气机稳定性裕度的目的。      

压气机三维气动稳定性模型的理论分析

综述了国内外对压气机三维气动稳定性模型的分析研究 ,并在以往工作的基础上进一步从理论上分析了三维轴流压气机气动稳定性模型 ,讨论了压气机三维波动方程的解析解 ,以及数值求解三维扰动波的边界条件问题     

多级轴流压气机失速边界预估

本文提出了两种预估多级轴流压气机旋转失速边界方法。前者把关于单叶排的半经验准则推广至多级压气机。取前一级的出囗条件为后一级的进囗条件,每级进行类似运算,对比各级的失速起始流量来判别多级压气机的失速起始边界。预估结果得到了实验验证。后者以小扰动理论为基础,应用非定常二元不可压流的流动模型,导出了双级轴流压气机的旋转失速起始判别准则。利用 Newton- Raphson方法求解特性方程根据设计的程序完成了几个实例的理论估算。预估值和实验值的吻合证实了理论分析的可靠性。并对比不同情况下衰减因子的变化规律,分析了各叶排损失随进口相对气流角的变化趋势。      

多叶排旋转失速起始的研究

以小扰动理论为基础 ,应用非定常、二元、不可压流的流动模型 ,推导了任意级轴流压气机的旋转失速起始判别准则通式。通过三个矢量方程组 ,系统地归纳了小扰动理论应用于多排叶片时各待定系数的关联方程。利用所设计的计算机程序 ,完成了对多级轴流压气机旋转失速起始边界的理论估算。与叶排特性的预估方法相结合 ,提出了一种较完整的理论估算失速边界的方法。理论值和实验值的吻合 ,证实了理论分析的可靠性。对比计算结果 ,讨论了失速团数目和级间轴向间距这些待定参数对预估结果的影响     

预测轴流压气机工作稳定性的非线性模型

建立了预测轴流压气机工作稳定性的非线性模型,采用有限差分数值模拟单转子和一台三级轴流压气机旋转失速的形成和发展过程,预测失速特征参数。由于合理地考虑了失速流动的非定常和非线性因素的影响,大多数失速特征参数的预测结果与试验测量值相符。     

压气机二维可压缩气动稳定性分析模型

基于压缩系统气动稳定性理论模型对压气机内部流动可压缩性以及叶排之间相互影响的需要,以Moore-Greitzer模型为基础,发展了一个用于分析多级轴流压气机动态失速特性的多"激盘"二维可压缩模型.该模型采用二维非定常的可压缩Euler方程描述压气机上、下游管道以及各叶排之间轴向间隙内的流动,而采用"激盘"分别取代压气机的各个叶片排.利用该模型,系统地计算和分析了多级轴流压气机中二维小尺度旋转失速的起始特性和动-静叶之间的相互影响,以及总压畸变旋转频率对下游压气机稳定性的影响.计算结果与实验数据的比较表明该模型及其计算结果是可靠的.      

周向总压畸变条件下多级轴流压气机失速首发级预测分析

基于多级轴流压气机的逐级特性,发展了1种预测周向总压畸变条件下多级轴流压气机失速首发级的方法。该方法结合平行压气机模型和级叠加计算方法,以进气畸变条件下多级轴流压气机某级的有效相对气流角达到稳定状态时该级的最大相对气流角为条件,进行多级轴流压气机失速首发级的预测分析。通过对J85—13发动机8级轴流压气机总压畸变试验数据进行模拟计算,预测出该轴流压气机畸变条件下的失速首发级。     

轴流压气机旋转失速与喘振的实验研究

本文运用热膜和动态三孔针对孤立转子和多级压气机的旋转失速和喘振现象作了详尽的试验研究。基于频谱中多种频率并存的事实,提出翼型分离导致两类自激振荡的论点。根据多级压气机的试验结果,对其稳定工作边界的性态作了分析和讨论。      

A high-order model of rotating stall in axial compressors with inlet distortion

In this paper,a high-order distortion model is proposed for analyzing the rotating stall inception process induced by inlet distortion in axial compressors.A distortion-generating screen in the compressor inlet is considered.By assuming a quadratic function for the local flow total pressure-drop,the existing Mansoux model is extended to include the effects of static inlet distor tion,and a new high-order distortion model is derived.To illustrate the effectiveness of the distortion model,numerical simulations are performed on an eighteenth-order model.It is demonstrated that long length-scale disturbances emerge out of the distorted background flow,and further induce the onset of rotating stall in advance.In addition,the circumferential non-uniform distribution and time evolution of the axial flow are also shown to be consistent with the existing features.It is thus shown that the high-order distortion model is capable of describing the transient behavior of stall inception and will contribute further to stall detection under inlet distortion.     

Flow Stability Model for Fan/Compressors with Annular Duct and Novel Casing Treatment

A three-dimensional compressible flow stability model is presented in this paper, which focuses on stall inception of multi-stage axial flow compressors with a finite large radius annular duct configuration for the first time. It is shown that under some assumptions, the stability equation can be obtained yielding from a group of homogeneous equations. The stability can be judged by the non-dimensional imaginary part of the resultant complex frequency eigenvalue. Further more, based on the analysis of the unsteady phenomenon caused by casing treatment, the function of casing treatment has been modeled by a wall impedance condition which is included in the stability model through the eigenvalues and the corresponding eigenfunctions of the system. Finally, some experimental investigation and two numerical evaluation cases are conducted to validate this model and emphasis is placed on numerically studying the sensitivity of the setup of different boundary conditions on the stall inception of axial flow fan/compressors. A novel casing treatment which consists of a backchamber and a perforated plate is suggested, and it is noted that the open area ratio of the casing treatment is less than 10%, and is far smaller than conventional casing treatment with open area ratio of over 50%, which could result in stall margin improvement without obvious efficiency loss of fan/compressors.     

轴流压缩系统失速可恢复性的预测

基于描述轴流压气机及其系统的动态气动响应的一维非定常单元容积模型 ,通过数值求解并利用可视化的编程方法 ,模拟了单级、三级和九级压缩系统的失速可恢复性。单级压缩系统的数值模拟结果取得了实验结果的验证 ,九级压缩系统的数值模拟结果与该压缩系统在台架上的实际工作情况符合得很好 ,数值模拟结果揭示出了影响压缩系统失速恢复性的一些因素