上游尾迹与涡轮转子泄漏流相互作用数值模拟

叶轮机内部流动本质上是周期性非定常的,研究涡轮转子叶尖区域的非定常相互作用机理,对提高小展弦比高负荷涡轮性能具有重要意义.利用数值模拟方法研究了上游静子尾迹与涡轮转子叶尖泄漏流的非定常相互作用,分析了定常结果、时间平均结果以及瞬时时刻结果的流动图画.结果表明:上游静子尾迹与涡轮转子尖区二次流的相互作用能明显影响泄漏涡和机匣通道涡的时空演化规律,从而改变转子尖区的损失分布.上游尾迹在转子通道中传播时,诱导泄漏涡和通道涡区域出现周期性的扰动涡对,扰动涡对沿着泄漏涡和通道涡的轨迹向下游运动,使得转子尖区二次流结构呈现周期性变化.      

压气机动静叶干扰的非定常流动特性

采用大涡模拟(large eddy simulation,LES)方法计算动叶尾迹对静叶干扰的流场信息。利用涡量分布揭示动叶尾迹在静叶通道内的演化过程,利用压力梯度识别激波结构及波振源,运用动力学模态分解(dynamic mode decomposition,DMD)方法对静叶通道内流场的时空结构进行模态分解。结果表明:流场中存在3处波振源,分别位于动叶尾缘、静叶前缘和静叶尾缘处;发现静叶通道内流场的频谱具有多峰值现象,模态分解的第1阶流动代表动叶尾迹在通道内随时间迁移,对应频率为动叶通过频率(blade passing frequency,BPF)是通道内旋涡非定常波动的主导频率;第2阶流动是动叶通过频率的2倍频流动,旋涡的空间尺度为1阶模态的1/2,为更小尺度的扰动。      

高压涡轮全环非定常流动数值模拟

为了进一步准确地掌握涡轮内部复杂流动特征,采用全环非定常数值模拟方法研究了某型高压涡轮内部非定常流动,重点分析了上游导叶尾迹和激波在动叶流动中的非定常作用机制,探讨了引起动叶通道内及叶片表面压力分布周期性变化的非定常扰动。数值结果表明:与尾迹作用相比,由导叶激波引起的非定常效应更为明显,尾迹引起的非定常扰动在动叶0.5倍轴向弦长位置下游较为突出。在动叶流场中及叶片表面上的静压变化显示,在动叶通道内还存在低频扰动,对局部流场的非定常扰动明显。最后指出,在非定常计算时采用区域缩放法对流场中非定常扰动的预测存在一定误差。     

Baldwin-Lomax 模型在转静干涉流动中的应用

本文以拉格朗日方式研究叶轮机内动、静叶间的相互作用,通过直接跟踪流体涡团的时间历程,来描述流体的非定常流动过程。发展了代数湍流模型（Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ湍流模型）在尾迹中的应用方法,克服了其它数值方法中无法准确捕捉尾迹中心线的运动轨迹,以及计算出的边界层外的湍流涡粘性系数偏大的缺陷。用该方法对叶轮机内转子／静子相互作用过程进行了数值模拟,与实验的对照表明,该方法是可信的。数值结果还表明,采用该模型能正确地模拟出叶轮机内尾迹和各种旋涡等非定常因素的流动过程,从而为研究叶轮机内非定常流动及掺混过程提供了一个新途径。     

位势场与涡轮端区二次流的相互作用机理研究

采用数值模拟方法,研究了某亚声速涡轮内部下游导叶位势场与动叶端区二次流和叶尖泄漏流的非定常相互作用,详细分析了不同时刻的流动特性。结果表明:受下游导叶的非定常位势作用影响,动叶出口瞬时时刻二次涡结构呈现明显的周期性变化,并导致动叶出口熵增和效率均随时间改变,文中利用旋涡运动学理论对产生这一现象的流动机理进行了深入探讨。     

上游尾迹与涡轮叶栅通道涡相互作用研究

采用三维粘性非定常数值模拟方法研究了上游尾迹与涡轮叶栅通道涡的相互作用,对定常、非定常时均以及瞬时时刻流动机理进行了分析.结果表明:上游尾迹的非定常作用一方面增强了叶栅通道涡的径向涡,使得流动损失增大;另一方面能够一定程度上抑制通道涡中流向涡的发展,对控制损失起到正面作用,端区的综合非定常效应取决于两者之间的平衡.在本文计算条件下,上述两方面综合影响使得通道涡的非定常损失增大.      

轴流涡轮基元级静叶稠度对转静干涉的影响

对具有不同静叶稠度的轴流涡轮基元级的非定常流动情况进行了数值模拟,考察了静叶稠度对涡轮基元级转子的非定常势干涉、静叶尾迹与动叶的干涉及基元级性能非定常性的影响,探究了静叶稠度对转静干涉的影响机制.研究结果表明:当静叶稠度增加时,转子的非定常势干涉在上游静子中的扰动强度增加,但衰减加快,传播范围变短;静叶稠度的改变通过引起静叶尾迹的强弱、尾迹与动叶干涉的频率和动叶通道中的流动状态的变化来改变尾迹干涉的强弱;进而通过尾迹干涉强弱的改变影响基元级性能的非定常性.      

跨声速压气机中动叶弯和掠对尾迹输运的影响

对一单级跨声速压气机设计工况下采用了3种弯、掠动叶后的非定常流场进行了数值模拟,分析了动叶弯、掠对动叶尾迹的非定常脉动强度以及向下游输运特性的影响.研究结果表明:与原型动叶相比,3种弯、掠动叶都减弱了动叶出口的泄漏涡和尾迹顶部脉动核心的脉动强度,使其在向下游输运过程中耗散较快;3种弯、掠动叶尾迹的中间段的脉动强度都有所加强,并且在输运过程中有向根部迁移的趋势,从而会使静叶的中部和根部受到较强的扰动.      

低速轴流压气机中前后静叶对动叶顶部区域流动的影响

数值研究了某二级低速轴流压气机在高负荷工况下,动叶前后动静干涉对动叶顶部区域非定常流动的影响。结果显示一次泄漏涡和二次泄漏涡是动叶顶部的主要流动特征。下游静叶干涉增加了动叶顶部间隙流的非定常波动强度和泄漏损失。上游静叶干涉减少了动叶顶部二次泄漏流强度。同无动静干涉相比,同时存在上下游动静干涉使动叶顶部区域总压损失减少9.1%,其收益主要来自上游静叶的非定常干涉。     

跨声压气机动叶弯、掠对静叶静压脉动的影响

对一单级跨声压气机采用了三种弯、掠动叶后设计工况下的非定常流场分别进行了数值模拟,分析了动叶弯、掠对下游静叶表面静压非定常脉动的影响.研究结果表明:三种弯、掠动叶都减轻了静叶前缘顶部和根部的静压脉动,使静叶前缘所受到的静压扰动沿径向分布更为均匀,尤其是弯掠动叶的作用最为明显;除去叶片前缘区域,三种弯、掠动叶对下游静叶的顶部压力面和吸力面的扰动都有所减弱,仍然以弯掠动叶的作用最为显著,而在静叶的中部和根部前缘区域之外的表面,动叶的弯、掠对压力扰动的影响不明显.      

旋翼地面效应的气动建模与特性

地面对旋翼气动特性影响明显,且导致旋翼流场更加复杂。为分析地面效应下的旋翼桨尖涡和流场变化特性,基于涡面和无滑移边界条件,求解第2类Fredholm方程获得地面涡面矢量分布,且将涡面矢量按涡扩散方程扩散到流体中,建立考虑黏性效应的地面气动模型,并耦合非定常面元/黏性涡粒子混合法以体现旋翼桨叶气动特性和旋翼尾迹的非定常效应,构建旋翼地面效应气动分析方法。通过计算Lynx尾桨地面效应下的性能和桨尖涡轨迹,并计算Maryland大学模型旋翼和NASA缩比旋翼地面效应下的垂向、径向速度分布,且与试验和CFD计算结果对比,验证了本文方法能较好捕捉地面效应下的旋翼尾迹变化特性和复杂速度场特性,且结果表明本文方法能较好模拟地面效应下旋翼桨尖涡的收缩、扩散、井喷、地面射流等物理现象。     

基于黏性涡模型的旋翼流场数值方法

 建立了一种适用于旋翼非定常流场特性分析的黏性涡数值方法。在该方法中:流场中的大尺度涡被离散为若干微小的涡元,通过求解涡量-速度形式的Navier-Stokes方程模拟涡元的输运等过程;黏性扩散效应采用高精度的粒子强度交换法进行计算,而桨叶附着涡以及新生涡环量采用了Weissinger-L升力面理论进行求解;为显著提高计算效率,在诱导速度及其梯度的计算中还引入了快速多极子算法(FMM)。应用上述方法,对悬停和前飞状态下的多个旋翼流场算例进行了计算,通过对比旋翼尾迹涡量特征和诱导速度分布等,验证了该方法的有效性。此外,还将本方法与旋翼计算流体力学(CFD)方法及传统的自由尾迹方法进行了比较,结果表明黏性涡方法在兼顾效率的同时,还能够更好地捕捉旋翼尾迹运动。     

直升机旋翼对尾桨非定常气动载荷的影响

悬停和侧滑状态的直升机主旋翼桨尖涡将穿透尾桨桨尖平面,由此导致尾桨非定常气动载荷发生明显变化。为更准确地模拟由主旋翼/尾桨干扰产生的尾桨非定常气动载荷变化,通过在面元压力项中增加由旋翼桨尖涡诱导的时变项,体现旋翼桨尖涡速度和几何时变对桨叶非定常压力的影响,同时采用涡面镜像法修正涡粒子法的黏性项,确保桨叶附近区域旋翼涡量守恒,建立旋翼尾迹对尾桨叶的非定常气动干扰模型,并耦合面元/黏性涡粒子法,构建直升机主旋翼/尾桨干扰下的尾桨非定常气动载荷分析方法。通过计算AH-1G旋翼桨叶非定常气动载荷特性,并与实验测量值、计算流体力学(CFD)计算结果对比,验证本文非定常气动干扰模型的有效性。随后基于NASA ROBIN(Rotor Body Interaction)模型分析悬停、侧风和60°右侧滑状态主旋翼对尾桨非定常气动载荷的影响,分析表明主旋翼尾迹对尾桨非定常气动载荷影响显著。悬停状态的主旋翼/尾桨干扰导致尾桨拉力平均值下降、非定常气动载荷显著增加;左侧风状态,主旋翼/尾桨干扰削弱尾桨"涡环"程度,显著增加尾桨拉力和非定常气动载荷;60°右侧滑状态,主旋翼/尾桨干扰导致尾桨拉力损失最大,且在低速侧滑状态出现尾桨拉力"迅速恢复"现象,尾桨非定常气动载荷幅值迅速增加。     

基于非定常面元/黏性涡粒子混合法的旋翼/平尾非定常气动干扰

旋翼/平尾非定常气动干扰是导致直升机纵向“抬头（Pitch-up）”现象的主要原因。为在直升机设计阶段准确分析旋翼/平尾非定常气动干扰以及由此引起的低速纵向操纵特性变化,通过涡量等效原则和Neumann物面边界条件建立了适用于旋翼/平尾气动干扰分析的非定常面元/黏性涡粒子混合法。该方法耦合了考虑尾迹时变效应的非定常面元法、黏性涡粒子法及涡量镜面法,以准确模拟旋翼和平尾的非定常气动载荷、旋翼尾迹的非定常特性以及旋翼尾迹对平尾的气动干扰效应。首先通过计算NASA ROBIN（Rotor Body Interaction）旋翼尾迹几何和诱导速度分布,并与实验测量值、时间精确自由尾迹及CFD计算结果对比验证方法的准确性。相比于时间精确自由尾迹,本文方法计算精度更高。随后分析了旋翼/平尾非定常气动干扰对平尾向下气动载荷和气动导数的影响,并分析了平尾构型对旋翼/平尾非定常气动干扰的影响规律。分析表明：旋翼尾迹与平尾干扰导致低速状态的平尾载荷突增,气动导数反号;低平尾气动载荷突增较大,高平尾较小,但高速气动导数反号;前置平尾载荷突增量减小,但对应速度范围较宽;右旋直升机右平尾载荷突增量较小,但气动导数特性基本不变。     

二维扩压叶栅非定常涡面分析

轴流压气机内流动是典型的非定常旋涡流动,而现有压气机分析设计体系在定常假设下以流场空间结构为对象.研究压气机内真实流动的途径之一是分析流场时空结构.把转/静叶片交错排列简化为单叶片排,再简化成2-D扩压叶栅.从叶栅非定常涡面的角度来描述非定常旋涡流场时空结构.作为举例,利用合成射流控制涡面演化,改善流场时空结构.此涡面简化模型可为进一步研究叶轮机叶排间干扰复杂流场的时空结构提供分析工具.      

透平叶顶泄漏能量损失的数值计算

商用N S求解器已经被用于透平动叶顶部空隙的非定常流场的模拟和研究。本文介绍了一种新的用于透平动叶片顶部空隙区域流场计算的能量损失方法 ,可以方便地用于各种流场。发现高黏度效应区域位于上端壁附近而不是在叶片顶部。研究表明对于不同的动叶片其顶部泄流的能量时均损失是不一样的。该结果提供了一个有用的线索 ,可以通过叶片设计者设计出不同几何和空气动力学参数的非统一的动叶片 ,从而减小能量损失     

高负荷涡轮端区非定常流动相互作用研究

采用三维黏性非定常数值模拟方法研究了某型高压涡轮端区非定常流动相互作用,着重研究了上游静子尾迹与转子二次流的非定常作用机制,同时还分析了负荷分布、激波等对端区非定常流动的影响。结果表明,静子尾迹的非定常作用一定程度减小了转子轮毂二次流的径向涡量;尾迹对流向涡量的影响取决于尾迹沿叶高的分布,当吸力面一侧的尾迹具有与二次流方向相反的流向涡量时,二次流的流向涡量减小;非定常效应还使得转子叶片根部负荷略为减小,也一定程度上抑制了转子轮毂二次流的发展。此外,受静子尾缘激波的影响,转子叶片表面负荷分布发生明显的周期性变化,导致叶片表面承受较强的非定常力,在涡轮设计中必须考虑。另外,通过计算涡轮级中的熵增和熵产,定量地分析了端区非定常相互作用产生的损失,并得到了一些有意义的结论。     

汽轮机末级三维非定常流动数值模拟

采用三维粘性非定常数值模拟方法,对某汽轮机设计状态末级非定常流动进行了模拟,并对设计状态下各因素引起末级动叶表面产生非定常力的大小和作用机理进行了分析。结果表明,本文中的汽轮机末级在设计条件下,上游静叶尾缘激波和位势场对下游转子的影响比尾迹作用的影响更大,静叶尾缘激波和位势场导致下游转子叶片表面非定常力大小呈周期性变化;此外上游静子尾迹以及动叶尾缘出口膨胀波等也是产生转子叶片表面非定常力的因素。      

轴流压气机转子近失速工况点叶尖区流动非定常性分析

为了揭示某轴流压气机转子近失速工况点叶尖区域流场的非定常变化及其形成机理,采用定常和非定常数值模拟方法对其内部流场进行了全三维的数值模拟。通过和已有的试验测量结果进行对比分析表明,预测的总性能及基元性能与试验结果取得了很好的一致性。近失速工况点的非定常模拟结果表明,压气机的总性能及叶片承受的扭矩出现了周期性的波动,其波动周期约为转子通过频率的2.5倍。进一步详细分析叶尖区流场的瞬态流动结构发现,间隙泄漏涡在近失速工况下出现了泡式破碎,破碎的泄漏涡、主流以及来自相邻叶片的间隙泄漏流相互作用形成了另外一个特征明显的旋涡(命名为叶尖二次涡)。该旋涡的形成、发展和运动是压气机的总性能出现周期性波动的主要原因。