跨音速压气机级三维紊流流场数值模拟

在对跨音速压气机级的动／静双叶排中的三维定常紊流流场数值的模拟中，利用三阶高分辨率ＮＮＤ格式和ＬＵ－ＳＧＳ隐式推进迭代法，既保证了流场中激波的模拟质量和粘性流动特征的正确预估，也实现了求解过程的高效率。对某单级跨音速压气机的计算及其与实验数据的对比证实了本文方法的有效性。将计算推广至多级轴流叶轮机械的情况将会是十分简便的     

单转子压气机出口三维流场紊流特性

单转子压气机设计状态出口叶尖通道中部、叶根吸力面角区和转子尾迹内具有较强的紊流脉动,泄漏涡是造成尖部气流掺混的主要因素。近失速状态通道内气流脉动明显增强,并沿周向和径向呈现出较大的梯度,叶尖通道中部的紊流强度分布证实了气流剧烈交混的发生,0.87 叶高和0.25 叶高吸力面附近的强紊流中心来源于叶背附面层分离形成的旋涡。在出口测量截面上紊流强度3 个分量的最大值,径向分量最大,轴向分量次之,切向分量最小。      

压气机不同状态下转子出口三维紊流流场

用单斜热丝、圆柱单孔高频压力探针等手段,详细测量了单级压气机转子出口的三维紊流流场,揭示压气机在不同流量状态下转子出口的流动结构和紊流特性。      

平面压气机叶栅通道分离流动高精度直接数值模拟

采用高精度有限差分格式直接求解二维Navier-Stokes方程组,数值模拟V103平面压气机叶栅分离流动,数值结果表明:在瞬时流场中,吸力面后部发生流动分离,在分离区前端存在大尺度分离涡,分离涡下游是由二次涡和脱落涡交替形成的涡串,直至叶片尾缘,形成以脱落涡为主结构的尾迹;在时均流场中,吸力面后部存在短分离泡,分离区压力分布存在明显压力平台。与逆压力梯度下平板边界层分离流动相比,瞬时和时均流场结构相似;叶栅通道内无量纲涡脱落频率是前者的两倍。与文献计算结果对比表明:叶片表面压力分布除分离区外吻合很好;非定常计算所得分离区轴向长度比定常计算大41%。在分离区内三个二阶统计量均达到最大值,表明流场强非定常性集中在分离区。     

吸附式压气机平面叶栅数值模拟研究

本文对采用吸附式压气机概念设计的一套超声速平面叶栅采用粘性全三维数值模拟方法进行了研究。数值模拟再现了吹风试验中发现的一些现象．并进一步研究了抽吸位置、抽吸气流量对叶栅性能的影响。     

叶片弯曲对压气机叶栅气动性能影响的数值模拟

为了研究压气机中采用弯曲叶片对叶栅流场气动性能的影响，本文应用Beam-Warming近拟隐式因子分解格式以及MML代数湍流模型，采用拟压缩性方法求解雷诺平均拟压缩N－S方程组，对弯曲叶片压气机叶栅内三维粘性流场进行了数值模拟。结果表明，在给定的条件下，三种叶栅内涡系结构具有某种相拟似性。反弯叶栅吸力面／端壁角区分离严重，中部流动较为理想；正弯叶栅基本消除了吸力面／端壁角区分离，但中部分离较明显；这些又导致三种叶栅流道中涡的大小和强弱存在明显的不同。计算结果与实验结果比较，两者吻合较好。     

求解跨声速压气机叶栅粘性流动反问题的数值解

阐述了一种以有限体积的时间推进方法为基础求解跨声速压气机叶栅设计的反问题方法。应用这一技术设计叶型,规定叶片表面无量纲目标速度分布,通过比较目标速度分布和计算获得的速度分布来修改叶片压力面和吸力面的坐标,最终获得要求的叶片形状。计算程序使用分布体力方法模拟粘性,用局部时间步长和多重网格方法加速收敛。还介绍了这种方法求解的基本方程系统,并给出了采用这种方法设计的无激波超临界跨声速压气机叶栅的设计结果。     

附面层抽吸对高负荷压气机叶栅流场的影响

在低速条件下,对不同吸气位置和吸气量的高负荷吸附压气机叶栅流场进行了实验研究,分析了吸气位置和吸气量对高负荷压气机叶栅流场的影响。结果表明,吸气位置和吸气量对高负荷吸气压气机叶栅流场影响显著,且在小吸气量下流场就有明显改善;附面层抽吸有效减小了积聚在吸力面角区的低能流体,流动分离被抑制,总损失下降明显,且抽吸对叶栅流场的影响随吸气量的增加而逐渐增大;在吸力面后部流动充分发展区域,采用附面层抽吸对抑制流动分离具有更好的效果。     

基于扇形叶栅的畸变流场对压气机静叶气动性能影响研究

随着飞机适航要求的提高,进口畸变对燃气轮机的影响也逐渐被重视起来。而飞行过程中燃气轮机所遇到的进口畸变经过动叶的传递后,往往会严重影响静叶进口气流角分布的均匀性,并恶化静叶的通流能力。为研究气流角畸变对静叶流场的影响,针对带有可调导叶的扇形叶栅,通过单独调整一片导叶角度而其它导叶角度不变的方式制造静叶进口畸变流场,并开展实验与仿真研究,分析该方法制造的畸变流场结构及其对静叶气动特性的影响。研究表明,采用的8号导叶旋转6°而其它导叶角度不变的方法可以改变静叶进口气流角、轴向速度、静压等参数的周向均匀度,实现静叶进口畸变流场。与均匀进口相比,气流角畸变度为3.22,气流角畸变度增加了1.14,并增加了静叶S8吸力面根部下通道涡的损失与影响范围,而对叶顶与中径处的影响相对较小。此外,受畸变流场影响的静叶流道总压恢复系数较均匀条件下略有下降。     

数值模拟二维跨音速叶栅可压粘性流动

用有限体积法数值模拟了任意回转流面跨音速压气机叶栅中的粘性流动，四步龙格－库塔法用于N－S方程的时间推进。给出了一种抑制叶栅计算中“数值失速”的方法，并采用隐式残差光顺技术加速收敛。用所发展的方法计算了三种叶栅在宽广来流Ma数条件下的流动，计算结果与实验结果吻合良好，流场激波具有较高的分辨率。     

设计工况下反弯叶栅出口流场的实验研究

采用五孔探针对常规直叶栅、正弯叶栅及反弯叶栅的出口流场进行了详细实验研究,结果表明反弯叶片能够减少叶片两端负荷,从而改善了两端壁区域的流动,采用反弯叶片可有效地减少叶栅中流动损失,提高叶栅流通能力,因此反弯叶片可望用于改善压气机的流动性能。     

考虑顶隙的压气机单转子内三维跨音速粘性流场结构的数值模拟

借助于考虑叶片顶部间隙的压气机转子内跨音速湍流流场的三维数值解,得到了该转子流场中的复杂涡系与波系结构。给出了叶片表面及轮毂面上的壁面流型,分析并揭示了转子叶道内的马蹄涡、通道涡、角涡、尾涡等复杂涡系及其与激波的相互干涉;特别是,分析并揭示了转子叶道内顶隙射流的特点,得到了顶隙附近激波与泄漏流动的干涉形态及泄漏流动的发展,并着重给出了其与激波的干涉形态。     

压气机叶栅叶片表面附面层流态变化影响因素探讨

以平面叶栅中的二元叶栅模型为试验对象,测量了在不同来流条件下叶片表面流场分布情况及栅后气流参数,分析了不同来流条件下叶片表面附面层流动状态的变化。并借助数值模拟手段重点研究了在不同来流马赫数和冲角下,叶片表面压力梯度对层流附面层向紊流附面层转捩过程的影响,通过利用实验数据分析研究来流条件对转捩过程的影响,为从机理上更深刻地认识叶片表面粘性附面层转捩机制提供了科学参考依据。     

用N-S方程计算三维叶栅流

发展了基于微元中心有限体积方法,采用雷诺平均N-S方程求解三维叶栅流动的程序,特别注意了格式中人工粘性的加法;程序采用Baldwin-Lomax模型。格式经过平板层流及湍流流动的校验,层流与Blasius解、湍流与实验经验公式及Wilcox的计算值符合很好,最后以Goldman涡轮导向器为例进行了叶栅流动计算校核,结果符合于实验以及Chima等人的计算。      

喷管化学反应粘性流场的数值模拟

用时间相关法的显格式求解氢氧发动机喷管的粘性化学反应流动,采用６种组分,８个基元反应有限速率的化学反应模型,湍流模型采用Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ代数湍流模型,得到流动参数和产物的质量分数在喷管流场中的分布。计算结果表明,采用显格式方法求解喷管化学反应粘性流动是可行的。     

自由流紊流度对串列叶栅性能的影响

通过实验，测量了自由流紊流度（Ｔｕ）在１．４％－６．７％范围内，一双圆弧串列叶栅总压损失系数、气流转角、附面层内速度分布以及吸力面压力系数。结果表明：（１）当Ｔｕ小于大约３％时，随着Ｔｕ增加，总压损失明显降低；当Ｔｕ大于３％时，Ｔｕ变化对总压损失几乎无影响。（２）Ｔｕ在１．４％－６．７％范围内变化对气流转角无影响。（３）Ｔｕ增加，对前排叶片吸力面靠近前缘部分附面层有有利影响。     

压气机叶片排内三维紊流流动的隐式高分辨率数值分析

对跨音速压气机叶片排内具有复杂三维激波的紊流流场所进行的数值分析，采用了空间三阶精度无波动格式以保证对紊流特征的正确模拟，利用ＬＵ－ＳＧＳ算法避免了一般隐式算法的繁琐运算，使之与显式方法推进一步的运算工作量基本相当，从而构成了一种既准确又高效的跨音速压气机紊流流动数值求解系统。计算与实验进行了对比，结果是令人满意的。     

求解叶轮机粘性流场的再生解析数值方法

应用再生核方法求解叶轮机粘性流场是一种新颖的解析数值方法, 它可以解决计算中的存贮、计算速度和精度问题。本文给出了用再生核方法求解叶轮机粘性流场的思路和方法, 以及如何在曲线坐标系中应用再生核方法, 并给出了流函数积分方程的求解过程。最后对平面扩压管道进行了数值试验, 结果与有关文献是吻合的。