高速离心压缩机旋转失速的三维数值模拟

使用商业计算流体力学软件CFX求解三维雷诺平均的Navier-Stokes方程组,结合出口气腔模型对某带无叶扩压器的离心压缩机的旋转失速现象进行数值模拟。首先使用定常计算得到了该离心压缩机的稳态性能曲线,并和实验测量值进行了比较。然后引入出口气腔模型,模拟离心压缩机内的旋转失速流动。在小流量下,从沿流线方向速度等值线图和径向速度等值线图中观察得到了离心压缩机内部流场的非定常流动现象。还研究了气腔模型不同参数对失速流动的影响,结果表明气腔体积越大,计算得到的失速频率越低。     

高负荷离心压气机扩压器叶片前缘开槽流动机理研究

扩压器前缘几何结构直接决定着扩压器的性能和内部流场特性,为进一步拓宽离心压气机的稳定工作范围,以高负荷离心压气机为研究对象,利用经过校核的数值模拟方法开展扩压器叶片前缘开槽流动机理研究,详细讨论了扩压器开槽对压气机性能及内部流动影响的机理。研究结果表明,扩压器叶片前缘开槽能够在保证离心压气机性能基本不变的前提下,使其失速裕度提高13.5%,与原型扩压器相比,扩压器叶片前缘开槽所诱导的间隙泄漏流能有效抑制扩压器通道内的流动分离,从而提高了离心压气机的稳定裕度。     

离心压气机失速模式及自循环机匣处理的作用机制

通过对离心压气机不同转速下实壁机匣和处理机匣两种状态流场的数值模拟,研究了失速模式随转速的变化及不同失速模式下机匣处理作用机制的转变.结果表明:随转速的降低,失速模式由100%设计转速时的扩压器失速逐步向导风轮失速过渡,导风轮失速也经历了由80%设计转速时的端壁失速和叶片前缘失速向50%设计转速的通道大范围完全失速的发展过程.自循环机匣处理对离心压气机失速裕度和效率的影响都与失速模式紧密相关,其扩稳作用仅对80%设计转速时的叶片前缘失速有效.在80%左右设计转速,机匣处理使主流效率有朝大流量工况点变化的趋势,从而使效率降低.当转速低至50%设计转速时,主流通道形成大范围回流区,机匣处理的二次回流可以减少叶轮对通道回流区气流的做功量,从而提高效率.      

改善二元亚音扩压器性能的试验研究

本文按文献[1]提出的“失速裕度”设计法计算了二元亚音扩压器的几何尺寸和性能,其结果与作者所做的试验数据相差甚大.该扩压器是具有很大初始扩压角的突扩扩压器,在初始扩压段即出现严重的气流分离.此方法不适用的原因在于所用的附面层动量积分方程没有考虑壁面曲率项的影响.作者还对双扩压角直壁扩压器的性能进行试验研究,结果表明具有较大扩压角且短的初始扩压段的直壁扩压器性能优于相同面积比和长度的单扩压角直壁扩压器.此外,试验表明在分离点前安装适当型式和结构参数的叶片式涡流发生器能够控制扩压器内气流分离,从而使压力恢复系数C_p值提高25～34%.     

几何参数对叶栅失速流场的影响

利用热膜探针及装有高频响压力传感器的三孔探针,结合动态数据采集和处理系统,测量了孤立转子的失速流场。描述了失速团数目、失速团传播速度和周向范围与叶栅主要几何参数的关系。实验结果表明:增大安装角或减小稠度均使绕叶栅的气流参数沿周向的变化率趋于缓和;失速区与非失速区之间存在着复杂的质量交换,后者证实了失速区边缘处存在穿越流动现象。     

振荡翼型非定常流动数值模拟研究

进一步完善了非定常雷诺平均N-S方程求解程序.并借助运动网格生成方法,对周期性俯仰运动下NACA0012翼型的非失速绕流和动态失速问题进行了数值模拟研究,分析了振荡翼型的迟滞效应以及俯仰运动各个参数对迟滞效应的影响.数值模拟结果与实验结果对比表明,本文发展的数值模拟方法在模拟非失速绕流时是可靠的;结果还表明,随着振幅、折合频率的增加迟滞效应增强,平均攻角对迟滞效应无影响;保持无量纲参数--振幅和折合频率的乘积--恒定时,迟滞效应相同.在模拟动态失速问题时.本文方法在深度失速下结果与实验符合较好,而在轻度失速下符合较差.经分析表明这是不同条件下非定常流动对湍流模型和转捩的敏感程度不同所致.     

基于节流阀模型跨声速轴流压气机失速特性研究

为了研究跨声速轴流压气机失速特性,基于节流阀模型,对跨声速轴流压气机转子NASA Rotor 37进行了数值计算,得到了整个失速过程中的流场分布.结果表明,随着阀门进一步关小,压气机逐渐进入旋转失速,在失速发展过程中,失速团逐渐扩展至10％ ～ 20％叶高,并绕着旋转轴以低于转子转速同方向旋转.     

带气腔的离心压缩机旋转失速的三维数值模拟

使用商业CFD计算软件CFX求解三维雷诺平均的Navier-Stokes方程组, 结合出口气腔模型对某带无叶扩压器的离心压缩机的旋转失速现象进行数值模拟.首先使用定常计算得到了该离心压缩机的稳态性能曲线, 并和实验测量值进行了比较.然后引入出口气腔模型, 模拟离心压缩机内的旋转失速流动.在小流量下, 从矢量图和径向速度等值线图中观察得到了离心压缩机内部流场的非定常流动现象.还研究了气腔模型不同参数对失速流动的影响, 结果表明气腔体积越大, 计算得到的失速频率越低.      

低速轴流压气机旋转失速演化机制研究

为深入探讨轴流压气机旋转失速机理,利用全环非定常数值模拟在出口边界添加节流阀模型模拟压气机节流过程,通过试验测量与数值模拟结果对比分析,澄清了低速轴流压气机失速先兆及失速团的产生和演化过程。研究结果表明：压气机在转子叶片安装角存在几何偏差的情况下,spike型失速先兆是由2阶模态的整阶扰动演化而来,并最终直接形成2个大尺寸全叶高的失速团;与轴对称转子模型相比,考虑存在几何偏差的转子模型的数值模拟结果更为接近试验测量结果。     

单级轴流压气机叶端区二次流动的研究

为揭示某单级压气机非设计转速下影响效率和稳定性的关键因素,采用实验和数值模拟相结合的方法,系统地研究了该压气机动、静叶通道内的二次流动随工况（即叶片负荷）的变化规律.对于转子,大流量工况叶端区的二次流主要以泄漏流/泄漏涡和轮毂角区分离为主,而到了峰值效率和近失速工况,整个叶高基元的过度扩压导致的叶片失速抑制了轮毂角区失速的发生.静叶叶尖端区的二次流动虽然具有三维性,但到了近失速工况它依然没有发展成为角区失速.静叶叶根的泄漏流动虽然对端壁附面层的低能流体向轮毂吸力面角区的汇聚起到了一定的抑制作用,但它对角区失速的控制效果却受到压气机不同流量工况的影响.近失速工况叶根泄漏流动抑制角区失速的能力不足是导致压气机效率下降的主要因素,而转子叶尖的二次流动造成的对整个叶尖通道的阻塞是限制压气机稳定性的关键因素.      

离心压气机无叶扩压段流路控制扩稳机理

为寻求叶轮-扩压器间无叶扩压段流路控制的扩稳机理,选取某离心压气机为研究对象,利用数值模拟的方法,通过流场分析解释其失速机理,并在此基础上重新设计无叶扩压段机匣结构,探讨一种有效流路控制扩稳方式.分析结果表明:将无叶扩压段机匣结构设计为先收缩后扩张型后,离心压气机稳定工作范围提高了2.8%,但绝热效率有所降低.      

Receptivity and structural sensitivity study of the wide vaneless diffuser flow with adjoint method

The stability of the flow in the vaneless diffuser of a centrifugal compressor is studied with the linear theory. The characteristics of direct and adjoint perturbation modes are investigated, and the receptivity of the instability mode to momentum forcing or mass injection is identified based on the adjoint modes. Analysis shows that the perturbation with the largest amplitude is located at the outlet of the vaneless diffuser, while the highest-receptivity region is located in the middle of the vaneless diffuser along the radial direction. The large difference between the direct and adjoint modes indicates that the instability mechanism cannot be identified from a study of either eigenmode separately. Therefore, the structural sensitivity analysis is adopted to study the feedback of the instability mode. The structural sensitivity of the eigenvalue which is proportional to the perturbation pressure and velocity is used to explain the mechanism of flow control for the vaneless diffuser.     

离心压气机无叶扩压器旋转失速实验研究

人们通常把呈现准同步的旋转速度脉动这种不稳定流动现象定义为旋转失速。当压气机的流量减小到一定程度会出现这种现象。它使得压气机的性能下降,甚至可构成激振源,限制了压气机的运行范围。因此研究失速的特征对设计和运行压气机有一定的指导意义。      

Experimental investigation of characteristics of instability evolution in a centrifugal compressor

The stable range of operation for the centrifugal compressor significantly influences the dynamic, economic, and environment-friendly characteristics of power systems. A deep understanding of the characteristics of instability evolution is necessary to improve the compressor stability. A centrifugal compressor equipped with a vaneless diffuser is experimentally investigated using highresponse static-pressure measurements. The results obtained indicate that three typical rotationalspeed ranges ex...     

扩压器对基本级性能的影响

使用数值方法和试验手段研究了带无叶扩压器和不同进口安装角的叶片扩压器对基本级的性能影响.针对带无叶扩压器的基本级,重点研究了近喘振点、设计点、近阻塞点3种工况的内部流动特性,结果表明近喘振点的叶轮叶片进口、叶轮叶片出口、回流叶片背面均存在低速涡流区,而设计点和近阻塞点的流动状态良好,对于近阻塞点,流动速度较大引起的摩擦阻力损失增大,导致了基本级多变效率下降很快;对带单圆弧叶片扩压器的基本级,细致地研究了匹配不同进口安装角的单圆弧叶片扩压器对喘振裕度、阻塞裕度和效率的影响,结果表明:在出口安装角不变的情况下,扩压器进口安装角比设计值降低3°,基本级的多变效率和多变能头系数达到最佳值.      

离心压缩机两区域模型改进与验证

离心压缩机一维预设计中,准确的性能预测可以有效地缩短设计周期,提高设计效率。为了提高性能预测的准确性,在传统两区域模型的基础上,引入外界能量输入与叶轮旋转效应,提出一种叶轮扩压度计算模型,并结合无叶扩压器的特点,将两区域模型应用于无叶扩压器性能预测中。通过与文献中已有的实验结果进行对比,验证了改进模型的可用性。对比结果表明:改进的两区域模型有效减少对工程经验的依赖性,可以实现不同压比、不同后弯角离心压缩机性能预测,总体预测精度较高,与实验数据偏差在4%以内。      

低速轴流压气机旋转失速特性试验

在一台双级低速轴流压气机上进行了均匀进气时的全流量特性试验研究,重点分析了该压气机旋转失速特性随流量系数的变化情况和失速起始特性.试验结果表明,压气机在失速前出现模态波扰动,其传播频率约等于40%转子旋转频率,范围贯穿整台压气机;压气机第二级在模态波扰动诱导下率先进入旋转失速,初始失速团旋转速度为83.3%转子转速;失速团在向第一级扩散传播过程中,其旋转速度逐步降低,最后稳定在41.9%转子转速;失速团旋转频率随着流量系数的降低而减小;失速团范围随着流量系数的减小而逐渐增加.      

离心压气机不稳定流动的时频特征分析

离心压气机失稳过程是一个非常复杂的动态过程,提高离心压气机运行的可靠性需要准确获取失稳过程的时频特征。针对带无叶扩压器的高速离心压气机失稳过程中叶轮出口的动态压力数据,采用时空本征模态分解(STIMD)算法和经验模态分解(EMD)算法进行分解,得到了多个本征模态函数(IMF),并结合Hilbert变换对不稳定流动的动态特征进行分析。结果表明,STIMD算法得到了深喘和浅喘的时频信息,观察到了频率在150 Hz附近持续波动的失速现象,并捕捉到了浅喘先兆的频率曲线由抖动向恒定的过渡过程。STIMD算法改善了EMD的模态混叠问题,为压气机失稳分析提供了一种工具。