基于混合平面法的跨声速轴流压气机三维数值模拟研究北大核心CSCD

利用自主开发的三维流场求解器MFlow,基于混合平面法技术对航空发动机压气机流场进行了数值模拟。在转/静子交界面处的不同的展向位置,将流动周向平均后进行传递,使得非定常流动问题简化成为"准定常"问题,从而将计算过程简化为只需要对一个叶片流道进行计算,大大减小了计算量。通过计算得到了压气机的总体工作特性和几个关键气动参数的展向分布曲线,并将结果与试验数据进行了对比分析。计算结果和试验数据基本吻合,验证了计算程序的适用性和可靠性。     

轴流压气机考虑展向掺混的数值计算

为了更加准确地反映压气机内部流场的展向分布特性并提高计算精度,基于流线曲率法发展了1种考虑压气机内部展向掺混作用的计算方法。应用Gallimore-Cumpst y(G-C)掺混模型模拟紊流扩散的作用,在2维Cart er公式基础上引入改善的Rober t s修正模型对落后角进行预估,通过落后角反映二次流的作用,并对3级轴流压气机3S1进行了计算分析和比较。结果表明:不考虑掺混因素时所得计算数据的展向分布情况与实际流场相差较大;只有同时考虑紊流掺混和二次流2种因素,才能得到最优结果。该方法能够较好地模拟轴流压气机的展向掺混作用,得到更加贴近实际的气动参数分布,可为压气机设计和优化提供参考。     

流线曲率法在多级跨声速轴流压气机特性预测中的应用

为研究多级跨声速压气机的分析问题,以通流理论为基础,采用了一系列适用于跨声速压气机的攻角、落后角和损失等经验模型,发展了一套基于流线曲率法的通流计算程序来预测跨声速压气机流场及其工作特性。为提高经验模型的预测精度,考虑到真实压气机中复杂的三维流动效应,针对部分早期模型进行了合理改进,包括改进了落后角模型使其适用于更大弯度范围叶型,以及采用一种更为合理的可变结构激波损失预测模型。针对两台跨声速压气机算例进行了计算校验,并将校验结果与实验值和三维数值计算进行对比。对比表明,设计工况下总压比最大计算误差为4.1%,效率误差为1.1%,在非设计工况特性预测和展向流场参数计算中也能得到和实验值相符的变化趋势,该通流计算方法可为现代跨声速轴流多级压气机特性分析提供具有参考价值的预测结果。     

多级轴流压气机彻体力模型——三维应用

利用基于彻体力模型建立的时间推进三维计算模型,获得了某单级跨声速压气机在周向总压进气畸变下的总体特性及流场分布,并与相关试验数据进行对比,以验证该模型的准确性及可靠性。随后利用该模型详细分析了进口分别存在周向总压进气畸变及对涡旋流畸变下某四级低速轴流压气机内部流场特征。单级跨声速压气机总体特性的计算结果与相关试验数据的相对误差不超过2%,且内部流场参数的分布特征也与试验结果相吻合。四级低速轴流压气机的计算结果反映周向总压进气畸变导致压气机气动性能及稳定性恶化,对涡旋流进气畸变则影响有限。同时揭示了不同形式的进气畸变在多级轴流压气机内部的传递过程,充分说明该模型在进气畸变这类工程问题中的广泛应用前景。      

某型航空发动机风扇试验流场分析

开发了1个航空发动机压气机试验流场计算程序。采用该程序,可以在使用常规试验件和应用现有级间测量技术的条件下,计算出压气机任一试验状态点的试验流场。利用该程序计算出某3级风扇在设计转速下的试验流场,并对扩散因子、攻角、落后角等参数的分布进行了分析。计算结果与设计值的比较表明,利用该程序得到的计算结果基本合理,可用于试验数据的后处理。     

多级轴流压气机特性的一种计算方法

本描述了多级轴流压气机特性计算的一种方法，流场计算采用流线曲率法解完全径向平衡方程。本在特性计算中引进了环壁附面损失模型，考虑了叶片去亏损力，二次流和径向间隙漏流等影响。采用了新的流场计算模型，流场计算稳定，收敛较快。并对计算结果与试验数据进行了对比，认为这种计算方法可以用于轴流压气机特性计算。     

轴流压气机叶尖射流扩稳数值计算模型

基于体积力方法将压气机叶片对气流的作用力和做功简化为源项,对环形无叶片通道求解带源项的Navier-Stokes(N-S)方程,实现了压气机全通道流场的计算,通过在转子上游机匣施加射流建立了轴流压气机叶尖射流扩稳数值模型.模型中的源项根据叶片排进口气流参数进行变化,通过判断施加的人工扰动变化确定压气机失稳边界.采用该模型对某跨声速单级压气机在有、无射流下的性能和稳定性进行了计算分析,无射流下计算的该压气机性能和稳定边界与试验结果都能较好地一致,其中稳定边界流量仅相差0.7%;有射流下射流对压气机具有明显的扩稳效果,将计算结果与国外公开文献的结果进行了对比,验证了模型的可靠性.      

不同类型搭接网格对周向槽处理机匣模拟结果影响研究

摘 要: 为深入研究不同类型搭接网格对周向槽处理机匣数值模拟结果的影响,以某单级跨声速压气机及其转子叶顶的周向槽处理机匣作为研究对象,划分了多种计算网格并采用不同类型搭接网格关联周向槽与压气机主流道。详细的三维定常数值模拟和分析表明,传统完全非匹配搭接网格,在计算上会导致流场数据通过搭接网格传递时明显失真,使转子尖部复杂流动呈现显著间断特征,给压气机内流和性能模拟结果带来较大不确定性;增强搭接网格匹配度,有利于提高流场数据传递精度,弱化转子尖部复杂流动的不连续性,降低模拟结果的不确定性;采用完全匹配类型搭接网格,可在计算上完全避免搭界网格上的流场数据传递失真,从而使压气机内流及性能模拟结果具有更高的可信度。     

跨声速轴流压气机不同工况下转子激波与导流叶片尾迹相互干涉研究

应用3维黏性流动计算软件Fine/Numeca,对某型1.5级跨声速轴流压气机进行内部流场和全工况特性数值模拟,得到该压气机特性曲线。在最高效率点和近失速点,在2种质量流量下,对压气机内部流场进行非定常对比计算,分析了在质量流量变小时,压气机内部流场的变化情况。     

轴流压气机叶片排流场非定常频谱特性试验技术

为了揭示轴流压气机叶片排的非定常流动特性，同时与压气机气动性能和气动稳定性相关联，开展了轴流压气机叶片排流场非定常频谱特性试验研究，并对该试验的试验技术和参数测试方法做了相应介绍。试验结果表明，该试验技术对进行轴流压气机叶片排流场非定常频谱特性试验是行之有效的。     

级间引气对多级轴流压气机性能和流场影响的低速实验研究

基于北航四级低速大尺寸压气机试验台,在二级静子出口进行周向槽引气,采用分别保持引气位置上游流量不变和引气位置下游流量不变两种比较方式,针对不同引气流量大小对压气机性能和内部流场的影响进行了实验研究。结果表明,级间引气会影响压气机压升特性和失速裕度,影响程度与引气量大小有关。级间引气对引气位置上游转子流场的影响表现在上游压气机工况的变化上,上游转子流场的展向分配并不受到引气的影响。引气位置下游受到引气和上游压气机工况变化的共同影响,且引气量越大,影响程度越大。此外,级间引气可以改善下游叶片叶尖区域的流动环境,增强叶尖处流通能力,提高下游压气机失速裕度。     

4 级重复级低速模拟压气机的试验与计算

低速模拟试验技术为航空发动机高压压气机设计体系的发展完善以及关键技术验证提供了重要手段。为了验证和完善低速模拟试验技术,对1台模拟某高压压气机后面级的4级重复级低速大尺寸压气机进行了详细的试验研究,并利用小尺寸高精度5孔气动探针获得了详细的转静子出口流场数据。试验结果表明:该4级压气机实现了典型的重复级流动,较好地模拟了高速原型的流动特征,随着流量系数的减小,静子尾迹均匀增厚,未出现角区失速,流场组织合理。基于试验数据对常用的CFD软件进行校验,表明CFX、Numeca和Turbo在叶片落后角、转子叶尖泄漏和静子损失等方面模拟存在不足。     

含湍流和多种三维作用的多级轴流压气机子午流计算程序

径向掺混计算在高级负荷和低展弦比结构的多级轴流压气机流场分析和设计中具有重要作用。作者已用严格理论表明 ,这一掺混是由湍流和多种三维流动因素作用决定的。本文给出将这一严格理论转化成为工程计算程序的方程组、数值方法及有关细节。其中 ,给出耗散项的关联项、压力—速度关联项、密度周向非均匀变化量的处理方法 ,同时 ,引入一个新的转焓表达式以简化问题。计算结果与 5台压气机的试验结果相吻合 ,而且表现为优于其它理论的结果。此程序计算速度快 ,收敛性好。在一定的亚音流范围内可以投入实际应用并可望能获得好的结果。     

基于高效特征值分析方法的旋转失速先兆预测

旋转失速限制了压气机稳定工作的范围,对其进行深入理解并实现准确预测是控制失速、提高裕度的关键。现有模型大多基于一定程度的几何和流动简化,不考虑三维效应及流动复杂性,直接应用于三维压气机失速预测时仍面临巨大挑战。同时,尽管试验测量和模拟仿真水平不断提高,试验和数值模拟多为唯象研究,缺乏对压气机流动失稳根本原因的揭示。此外,由于三维复杂流动精细化测量和高保真模拟的复杂性,大多数失速研究针对某一压气机若干孤立工况开展,缺乏系统的参数化研究,难以提炼出旋转失速关键影响因素。为弥补试验测试空间分辨率低和非定常流动模拟成本高的缺陷,提出了一种基于三维流动方程高效特征值求解的全局稳定性分析方法。一方面可以获得试验测量难以达到的空间分辨率,另一方面能够以比非定常模拟小2～3个量级的成本获得丰富的三维流场小扰动发展过程。针对某典型跨声速压气机环形叶栅,所发展的分析方法计算成本仅为定常特性线计算的28%,相比于非定常计算实现了约155倍的加速,为压气机旋转失速准确快速预测和机理研究提供了重要的研究工具。     

处理机匣对高压压气机性能和稳定性影响的数值模拟和试验研究

本文主要采用数值模拟和试验验证的方法探索轴向斜槽处理机匣改善高压压气机尖部流动情况及扩大压气机稳定工作边界的基本原理。采用Numeca CFD软件对某多级高压压气机第一级叶尖间隙流场和具有轴向斜槽处理结构的流场进行非定常计算．并对计算结果进行对比、分析,详细揭示了叶栅顶部间隙区及处理槽内的流动特征。数值计算结果显示,轴向斜槽处理机匣能够衰减或是消除叶尖的泄漏涡,推迟失速的发生。处理机匣对压气机性能的影响并不是直接采用对泄漏涡的干涉,而是通过叶尖附近气流在高压作用下从压力面尾缘进入斜槽,而后气流在叶背前缘以高速由斜槽射入主流。该高速射流能有效地扫除叶尖易失速的附面层,从而延迟气流分离,扩大压气机的失速裕度并减少二次流损失。试验结果显示,该多级压气机采用轴向斜槽处理机匣有效地减少了尖部气流泄漏,扩大了压气机稳定工作范围。     

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.      

某发动机风扇进气畸变数值模拟

采用周向平均体积力的方法将叶片对气流的作用简化为体积力源项研究进气畸变对某航空发动机风扇的影响.分别对该风扇在均匀进气条件下和进口存在稳态总压畸变条件下的流场进行了模拟计算,得到了和雷诺平均Navier-Stockes(RANS)计算几乎完全一致的特性线以及流场主要结构特征,在进行进气畸变条件下流场模拟计算时成功地捕捉到了进口畸变扰动在流场中的传播情况,并能够正确反映进气畸变对压气机的影响.结果表明:压气机进气畸变流场有着大尺度、强耦合、信息传播三维性明显等特征,采用周向平均体积力研究方法可以利用非常少的计算资源加深对进气畸变流动的认识.      

局部/组合抽吸对压气机叶栅分离流动控制的机理研究

为了研究不同抽吸形式对压气机内部分离流动的控制效果和机理,基于数值模拟方法,对内部同时存在角区分离和附面层分离的直列叶栅进行抽吸计算,共设置8套不同的方案进行了详细的探究。结果表明:对于控制分离的效果和机理,不同抽吸形式之间存在着一定差异;在分离发展的不同阶段,实施抽吸对其控制效果也有所不同。近端壁吸力面抽吸方案SS3同时减小了角区分离和近端壁处的尾缘附面层分离,尾部近吸力面沿展向静压分布为正"C"型,使角区内的低能流体向叶中流动,角区流动得到改善,但导致叶展中部流场的恶化;端壁抽吸和全叶高组合抽吸则使尾部近吸力面静压沿展向分布更均匀,低能流体的迁移现象减弱。基于以上结果可得:组合抽吸可以更有效地控制叶栅内部流动分离,降低损失,提高叶栅流通能力。     

单级跨声速压气机进气畸变数值模拟

基于彻体力模型的基本思想,发展了一套能够反映进气畸变对风扇/压气机气动性能影响的三维数值计算程序CSAC.首先详细研究了彻体力模型的具体建模方法,然后发展了相应的三维数值计算程序.利用该程序针对某单级跨声速压气机在均匀进气下的流场进行了计算验证,计算结果与雷诺平均Navier-Stokes(RANS)计算吻合得很好,流场主要参数分布与相关实验数据也有很好的一致性.利用该程序分别计算分析了进口存在稳态周向总压畸变及周向总温畸变的全环三维畸变流场,结果表明:压气机进口畸变流场存在大尺度、强三维特征,将导致压气机总压比及稳定裕度下降.所有计算结果均显示该模型能够在降低对计算资源和工程经验依赖的同时,有效分析进气畸变对压气机特性的影响.      

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