离心式压气机模型级内非定常流动的数值试验

应用同位网格下的压力校正算法和滑移网格技术 ,在贴体曲线坐标系下 ,对离心式压气机模型级内部由于叶轮与叶片扩压器相互作用引起的三维非定常湍流流场进行了数值模拟。计算结果表明 ,在设计工况下 ,由于叶轮与叶片扩压器的相互作用引起的非定常干涉流动 ,对整级内部流动有非定常影响。速度场的非定常特性主要表现在叶轮与叶片扩压器间的径向间隙范围内和扩压器的入口处 ,在叶轮和扩压器叶道内部衰减很快。而压力脉动同时向流道的上下游传播 ,在叶轮和扩压器内部流动仍具有显著的压力非定常脉动。计算结果还模拟了扩压器入口处运动涡系与扩压器叶片的相互作用及其周期性衍灭过程     

离心叶轮和扩压器相互作用

采用定常和非定常数值模拟技术,研究了某跨声离心压气机级内的复杂流动,分析了叶轮与径向扩压器之间的非定常相互作用.结果表明,扩压器的势干扰使叶轮出口静压发生周期性地变化,引起叶轮后部负荷、叶尖泄漏和损失等也产生周期性地变化,影响范围达30%流向弦长.叶轮出口流场的周向不均匀性及非定常性使扩压器进口参数发生周期性的变化,导致扩压器负荷、总压恢复系数分布呈现出较强的非定常性,影响范围贯穿整个扩压器通道.      

离心压气机内不同非定常源影响实验研究

使用热线风速仪对扩压器内的非定常流场进行了测量,采用锁相采样—集平均技术对热膜测量的瞬时信号进行了处理,对离心压气机内扩压器势反冲效应和叶轮尾流的非定常影响进行了分离,采用＂逆频谱分析＂方法求解了不确定性非定常性,研究了离心压气机内不同非定常源的影响。结果表明,扩压器的势反冲效应同叶轮叶片的非定常影响处于同一数量级,扩压器的势反冲效应略小一些。扩压器的势反冲效应同叶轮叶片的非定常影响均是沿流向不断减小,且二者之间的差距沿流向也不断减小。叶轮叶片的非定常影响对扩压器叶片的位置较为敏感,靠近扩压器凸面侧的测点受叶轮叶片的非定常影响较大。径向间隙内不确定非定常度受扩压器叶片的反冲影响较大。     

离心压气机管式扩压器设计与计算分析

采用程序化建模方法,对离心压气机管式扩压器的三维几何造型进行参数化设计,并采用定常数值模拟的方法分析管式扩压器内流场特性,攻角特性,对影响管式扩压器性能的几何参数进行分析与优化,同时对照某原型叶片式扩压器,分析传统圆形进口管式扩压器的性能优劣,提出类椭圆进口管式扩压器的概念,并揭示其能够有效提高离心压气机性能的机理.      

五种径向扩压器与同一离心压气机叶轮相互匹配的试验研究

介绍了某型离心压气机叶轮与五种径向扩压器匹配的试验研究。通过试验录取了五种径向扩压器与同一离心叶轮匹配的性能数据,并对试验结果进行了初步分析和对比．评定了各方案试验性能的优劣;还讨论了叶片式径向扩压器造型参数的变化和叶片前后缘圆心位置的不同处理对离心压气机性能的影响。     

三维跨声速多级压气机中的非定常压力频域分析

为揭示跨声速多级压气机中非定常压力的脉动频谱结构,基于三维定常Denton程序发展了三维非定常计算程序,对三维跨声速多级压气机近失速点进行了定常与非定常数值模拟,并在此基础上对三个典型径向截面的非定常压力进行了频域分析。结果表明:通过对非定常频域图谱的研究,从一个全新的视角来分析非定常流场,可以看到在时域流场中很难直观看到的出口数值反射等现象;在压气机静子的结构设计中,如果某级静子后续的转子工作在跨声速工况下,则该级静子尾缘处会受到较大的非定常气动力作用;多级压气机中后面级叶排频谱结构较为丰富,通过频率的4倍频振幅分量依然较大,在进行动态压力传感器的选型时需要考虑这点。     

基金档案

[项目编号]2008ZB53014[项目负责人]周莉[依托单位]西北工业大学进口导叶/叶轮/扩压器非定常相干机理及时序效应的研究完成情况简介:对离心压气机级内不同工况下的进口导叶叶轮扩压器动静相干非定常湍流流动规律开展了数值研究,研究了导叶尾迹及大尺寸分离涡团在叶轮和扩压器中的     

叶尖间隙分布对内燃机增压压气机性能影响

采用三维CFD(计算流体动力学)方法,对两种相反叶尖间隙分布方式的无叶扩压器压气机级进行了详细流场分析,研究了叶尖间隙分布对跨声速离心压气机叶轮及扩压器性能的影响机理.结果表明,非均匀分布弦向间隙分布叶轮有较宽的稳定工作范围;出口轴向间隙小于进口径向间隙的压气机级压比和效率明显高于出口轴向间隙大于进口径向间隙的压气机级.较小的出口轴向间隙削弱了叶轮通道后半段间隙流动,显著提高了叶轮后部做功能力,获得更高的级压比;并使叶轮后部间隙涡强度及涡在叶轮通道和扩压器通道内耗散损失小,压气机级效率更高.      

两型亚声速扩压器设计及性能分析

以CC3离心叶轮为研究对象,基于ANSYS叶片造型模块,设计与之匹配的楔形扩压器和单圆弧扩压器,采用数值模拟方法对匹配两种扩压器的离心压气机性能进行分析和对比。结果表明,对于进口亚声速和叶片较长的扩压器,楔形扩压器的性能要优于单圆弧扩压器;单圆弧扩压器由于流道扩张剧烈,从30%弦长的位置压力面侧气流产生分离,形成低速区,有效流通面积减小。     

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。     

离心压气机确定应力场分析

采用定常和非定常数值模拟技术,研究了某跨声离心压气机内的固有非定常流动.对比分析了定常流场和非定常时均流场之间的差别,着重分析了通道内确定应力的分布规律以及交界面确定应力的分布特点.结果表明,叶轮和扩压器中的确定应力在数值上相当,通道内的确定应力沿周向分布有较大的梯度、沿流向分布的总体趋势是从交界面向两侧迅速衰减,交界面处的确定应力和其空间相关项之间在数值上存在一定的偏差.      

脉动背压下涡轮增压离心压气机入口流场试验

为了研究离心压气机在强脉动背压下的入口流场分布,研制了用于非定常流场测量的全自动二维步进装置。使用该装置结合一维热线风速仪测量了不同脉动频率、时均流量下离心压气机入口非定常流场分布。结果表明：背压脉动时,离心压气机入口速度与气流角在周向及径向分布形态均随背压变化呈大幅周期性振荡,且气流角在叶尖处的变化幅度显著高于叶根处。蜗壳上游周向角区内轴向速度显著低于下游,且该周向畸变强度随频率及时均流量增加而增强。径向气流角最大差异出现在约85%叶高处:小流量时最大气流角差异为8°,大流量时为12°。研究探明了脉动背压工况下离心压气机入口流场的非定常演化规律,为针对实际工况的压气机优化设计理论提供了试验基础。     

高速微型离心压气机的改型设计

近年来微型涡喷发动机的研究受到国内外的高度重视。微型叶轮机作为微型涡喷发动机的核心,其内部流动状况及特性是研究的重点。本文首先采用S-A湍流模型,对某微型涡喷发动机的离心压气机(转速118 000 r/min)的地面状态和设计转速下的粘性流场进行了三维数值模拟计算,得到了压气机特性曲线。接着对该离心压气机进行了改型。通过与原型三维流场的对比分析,实施了改型流道设计,重点在于调整转子流道的形状以及转子出口与径向扩压器之间的流道匹配。改型离心压气机的三维流场计算结果表明,基本达到改型设计要求。     

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.      

分流叶片位置对高转速离心压气机性能的影响

运用三维粘性流动数值计算程序FineTM/Turbo对叶顶间隙泄漏存在时带分流叶片的高转速离心压气机模型级内部流动进行了数值模拟,重点分析了分流叶片不同起始位置及不同周向位置对压气机级内三维粘性流场及整级性能的影响.计算中采用Jameson的中心差分格式结合Baldwin-Lomax代数模型使用时间推进法求解雷诺平均N-S方程,计算模拟了模型级内部复杂的三维粘性流动过程及气体参数分布的详细结构和规律.计算结果表明:采用分流叶片在进口段会减少叶片阻塞,从而使更高的质量流量可以流经叶轮;分流叶片起始位置位于Ⅲ时,两个通道叶轮出口处速度分布最均匀;分流叶片越短,长叶片压力面无量纲静压载荷越大.当分流叶片长度达到某一数值后,长叶片载荷变化趋于平缓.分流叶片位于不同周向位置时,IBSA叶轮的模型级效率最高,压气机性能最好.     

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。     

U型进气管道对某离心压气机性能的影响

采用实验和数值模拟的方法研究了U型管道进气对某离心压气机性能的影响.实验结果显示,相比直管进气,U型管道进气在大流量工况下显著降低了压气机性能,压比、效率的下降量分别可达10%和18%以上.数值分析表明:U型管道进气时,其出口产生静压和总压畸变;压气机下游蜗壳因几何周向不均而存在相应的压力畸变,该畸变沿叶轮槽道向上游传播的过程中与进气畸变发生耦合.这种耦合作用改变了叶轮进口的流场结构,使叶轮槽道流量分布发生变化,叶轮对应畸变区域的熵值增加;同时还改变了叶片表面静压的分布形式,使整个叶轮主叶片的平均载荷增大约8%.      

分流叶片轮缘进口角对离心压气机性能影响数值仿真

为了研究分流叶片轮缘进口角的变化对离心压气机级性能的影响,以某小型模型级离心压气机为研究对象,利用数值仿真软件对流场进行了全3维模拟,重点分析其内部流场结构的变化。数值仿真结果表明:分流叶片轮缘进口角对离心压气机性能影响明显,其角度的增加使离心压气机的压比和效率提高,但会缩小离心压气机的稳定工作范围。