气-固耦合设计对斜流叶轮性能影响的数值分析

为了获得在设计工况下性能最佳的叶型,提出一种三维单向气-固耦合迭代设计方法。对三维气动设计得到的热态叶型（记为RT)进行单向气-固耦合计算,获得设计点流场特性和热态叶型变形量。采用基于面积平均的三维插值造型方法,分别获得进行机匣处理和不进行机匣处理的冷态叶轮(分别记为RC和RC-tip)。对冷热态叶轮流场的数值分析结果表明:与热态叶轮相比,冷态叶轮在设计转速下堵塞点流量提高1.93%;冷态叶轮的叶片最小负荷下降约30%;在低转速下,冷态叶轮的性能曲线优于热态叶轮;说明通过该设计流程得到的冷态叶轮在叶片负荷和流通能力等方面实现了优化。      

轴流压气机叶片准三维自动优化设计

为提高轴流压气机叶片气动设计效果,将叶片准三维设计方法与叶型自动优化技术相结合,构建轴流压气机叶片准三维自动优化设计平台。在叶片三维数值计算结果中提取总压损失系数径向分布,反馈到S_2流面计算程序,替代原有的基于试验数据的损失模型,重新进行通流设计,提高S_2流面流场计算精度;S_1流面叶型设计采用并行遗传算法与叶轮机CFD方法相结合的叶型自动优化方法,以数值寻优代替叶型气动外形的人工调整,减小对设计经验的依赖。运用设计平台,对一设计流量6.3kg/s,设计压比2.07的轴流压气机第一级转子进行气动设计,得到径向三维叶片,设计点流量、总压比均接近设计目标,等熵效率接近90%,失速裕度达15.5%,结果令人满意。采用三维优化方法进一步进行叶片积叠线弯、掠设计,在失速点到设计点的稳定工作范围内效率均得到了1%的提升。     

叶轮机叶片的三维造型及其对叶片气动负荷的影响

研究叶轮机叶片的弯扭及掠形等因素对叶片气动负荷分布的影响。给出了一个针对叶轮机内部流动的一般的掠角定义。基于线化的小扰动理论,用解析方法对叶片三维造型各因素的位势影响进行了分析,并用三维粘性数值模拟进行了验证和分析。分析结果表明,叶轮机叶片的弯扭和前缘掠形对叶片的负荷分布有重要的调节作用。合理利用三维造型的负荷调整功能可有效地调整负荷沿展向和弦向的分布,为叶型设计提供新的自由度。      

离心叶轮二元叶片型线的优化设计及分析

为改善优化离心叶轮的气动性能,提出离心叶轮二元叶片型线的一种优化设计方法,即通过给定流道平均相对速度沿半径的分布规律,在叶轮轮盘轮盖线不变的前提下,设计出一类叶片型线,并利用全三维数值模拟计算得到最佳性能的叶轮。孤立叶轮的计算表明,大部分工况的性能均明显优于原始叶轮,在设计点处效率提高12%,压升提高8.9%,流道中低速区的面积大大减小,静压场分布更加均匀。最佳叶轮配上原始蜗壳进行整机计算,结果表明,设计点效率提高10%以上,且消除了蜗壳出口段的倒流现象,但在大流量工况下压升量有所下降。     

基于BP人工神经网络的离心压气机叶轮多目标优化设计方法

利用Concept NREC软件建立离心压气机叶轮设计样本库,借助BP（back propagation）人工神经网络建立样本库中各设计参数与压气机性能之间的关系,接下来以多目标遗传算法寻找Pareto解,从而获得离心压气机叶轮最佳设计参数.将该方法应用于Krain叶轮设计工况,所得叶轮的效率、压比较Krain叶轮原型分别提高1.4%和10.9%.通过对人工神经网络模型可靠性的讨论、多目标优化模型的主成分分析和所设计叶轮性能的CFD验证,证明了所构建的目标函数与所获得的Pareto解集的合理性,说明本方法可以有效应用于在离心压气机设计、选型.      

某小型离心压气机扩稳优化设计

针对某小型离心压气机在低转速下失速裕度偏小的问题,对该离心压气机的离心叶轮进行了改型优化设计,以扩大其稳定工作范围.改型设计用的是轴流/离心压气机通用叶片造型设计方法,该方法以二维通流设计计算为基础,配以任意空间曲面造型方法,并通过三维CFD(计算流体动力学)计算检验改型设计的结果.通过修改通流设计控制参数和造型控制参数,成功的实现了对离心压气机子午流道和离心叶轮三维叶片的优化设计.结果表明,对该离心叶轮的改型设计,不仅使失速裕度得到明显提高,满足了设计需求,同时压气机整级的性能也得到了改善.      

某小型离心压气机气动设计

针对无人机动力装置的需求,为某小推力的涡轮喷气发动机进行了单级离心压气机的气动设计.所用的压气机设计方法为:从一维的热力计算出发来进行流道结构设计,以二维通流计算为基础,通过调整各排叶片的环量分布,来获得所要求的气动性能,并通过叶片任意造型最终生成与通流计算结果较为一致的三维叶型,最后通过三维计算流体动力学(CFD)计算来分析气动设计的性能结果.最终设计出的离心压气机在设计点的各项性能参数均达到了设计要求,并且在各个转速下压气机的特性线比较平缓,压气机有较为宽广的稳定工作范围.      

叶片反扭对跨声速大涵道比风扇性能的影响

使用基于流固耦合算法的叶片反扭程序,考虑了非定常气动力对叶片变形的非线性作用,研究了叶片反扭对跨声速大涵道比风扇性能的影响.以冷态叶型为起点,先计算离心力作用下的叶片变形,在此基础上使用流固耦合程序获得非定常气动力作用下的变形.考察了3个转速下叶片的动态变形对大涵道比风扇气动性能的影响.结果表明:在跨声速工况下,叶片表面激波位置的变化对叶片反扭角有很大作用,在考察的转速范围内,堵塞点使用设计叶型计算的流量大于动态叶型下的流量,数值达7%,将导致发动机起飞推力小于预测值.结果表明在大涵道比风扇设计阶段,预测气动性能使用准确叶型的重要性.      

基于复合弯掠技术的轴流风机叶轮优化

基于叶轮机械全三维优化设计平台NUMECA/Design 3D,采用人工神经网络和遗传算法相结合的方法,通过复合弯掠技术对一低压轴流风机叶轮空间弯掠积叠线进行三维优化设计。优化目标为在设计工况点保持风机流量不变,尽可能提高气动效率和全压升。结果表明:复合弯掠优化使叶轮设计工况点的效率和全压升分别提升约1.92%和3.98%。复合弯掠优化使叶片负荷重新分布,改善了叶顶和叶根区域的流动,同时抑制了叶轮近吸力面叶根角区的流动分离和减小了叶顶泄漏涡的强度和影响范围,降低了流动损失,提高了叶轮气动性能。     

基于NURBS曲线的轴流透平叶片气动 数值优化

通过搭建适用于轴流式透平叶片气动数值优化的设计平台,对某NASA透平级动静叶片进行等熵效率、流量相对变化、落压比相对变化的多目标寻优.该平台包括三个核心模块: 叶片的参数化造型、流场气动性能评估、优化策略.采用非均匀有理B样条(NURBS)曲线对叶片进行参数化拟合;针对叶片气动数值优化的多变量、多模态的特征,采用试验设计和遗传算法组合优化策略进行寻优.经过气动优化, 在设计工况点优化叶片性能较原始叶片有明显提高,为轴流式叶片的气动优化提供了可借鉴的措施.      

叶片数对微型斜流叶轮性能的影响

采用计算流体力学软件NAPA对叶片数不同的跨声微型斜流叶轮流场、性能进行了模拟,研究表明随着叶片数的增加,叶片载荷减小,叶背分离减小,叶片通道内流动改善,但叶片进口低压区域占叶片通道的比例增大,当叶片数增加到一定程度时主叶片不能全程加载.随叶片数的增加叶轮工作特性曲线左移的同时先上移后下移,通过与常规离心压气机最佳叶片数研究结果的对比表明,低雷诺数、微尺度效应及叶片占通道比例大使所研究微型斜流压气机的最佳叶片数略低于已有经验.      

三维环境下离心/斜流压气机二维叶型优化设计

考虑离心/斜流压气机转子叶片通道内流动的强三维性,提出在三维环境下进行二维叶型优化设计.通过对能量方程中黏性耗散项改进,解决了Denton黏性体积力方法模拟离心/斜流叶轮三维流场效率偏高的不足.将改进流场计算模块与并行遗传算法寻优模块相结合,构成离心/斜流压气机二维叶型优化设计软件.采用所研制的软件,分别对离心叶轮和斜流叶轮叶尖处叶型进行优化设计.优化叶片基本达到目标流量和压比,在整个工作范围内效率都提高明显:在设计点离心叶轮效率由0.938提高到0.947,斜流叶轮效率由0.899提高到0.918.      

离心压气机进气流场研究及控制

对某车用增压离心压气机进行了三维数值模拟,研究了离心压气机设计点和不同转速下近喘振点进气流场,基于此提出了离心压气机进气轮盖导叶流场控制措施并进行了验证实验.研究表明:离心压气机近喘振点压力面与吸力面压力差异影响到进气流场,导致进气口轮盖附近出现与叶轮转向相反的切向速度;且从低转速到高转速,该与叶轮转向相反的切向速度逐渐增大;离心压气机设计点进气在叶片压力面和吸力面前分别形成与叶轮转向相反和相同的切向速度区域,该区域不限于轮盖附近.轮盖导叶的流动控制方法可以有效抑制近喘振点切向反速度,实验结果表明,轮盖导叶使得离心压气机整体性能得到了提高,在90000r/min近喘振点压比提高了3.4%,效率提高了3.0%.      

湍流方程扩散项离散对某径向叶轮流场计算的影响

在相对旋转坐标系下采用Harten,Lax and van Leer contact （HLLC） 格式离散对流项,自行开发了基于多块结构化网格的有限体积程序,实现了对叶轮机械内部流场的数值求解.分别对半开式径向叶轮、闭式后弯叶轮展开数值模拟,程序和商业软件计算得到的不同叶高处表面压力数据,其相对差异不超过1%,验证了算法的正确性.针对湍流方程的扩散项,分别使用完全离散和略去交叉导数项离散,通过对湍流黏度等值线、气动轴向力和力矩的比较表明:在网格正交性较好的情况下,略去交叉导数项的离散对计算结果的影响小于1%,显著地减小湍流方程离散的计算量.      

跨声速离心压气机多部件耦合优化扩稳

基于最优拉丁超立方采样、多项式代理模型、傅里叶幅值敏感性试验、梯度变异混合优化算法构建了跨声速离心压气机耦合优化方法,实现了自循环机匣处理扩稳的同时不降低等熵效率的目标。耦合优化后压气机气动性能全面提升,设计点和近失速点的等熵效率分别提高2.79%、1.82%,且峰值效率略高于实壁机匣压气机。耦合优化扩稳增效的机理是：自循环机匣抽吸流量增大,更多低能流体被移除;叶轮入口攻角改善,流动分离风险减小;前缘激波与叶尖泄漏涡干涉被抑制,叶轮下游低能流体减少,周向均匀性增强;机匣回流槽入射角增大,叶轮入口径向畸变被削弱;叶轮叶片尾缘安装角及扩压器有叶段尾缘半径的增大弥补了等熵效率损失;叶轮叶片前缘后掠角减小弥补了堵塞流量。     

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.      

周向布局对高压比串列离心压气机性能的影响

为揭示周向布局对高压比串列离心压气机性能的影响机制,采用经试验数据确认的数值方法,对串列叶轮在典型周向布局下的性能及流场结构进行了分析。研究表明:周向布局对串列叶轮流动的影响主要体现在后排叶轮的叶顶区域,75%周向位置时压气机级性能最优,25%周向位置时最差;串列叶轮改善离心压气机流场的物理机制为诱导轮压力侧气流对导风轮吸力面附面层的吹除效应,以及导风轮吸力面侧流体对诱导轮尾迹的引射效应;高压比串列离心压气机周向布局的优化应遵循的原则是,在避免诱导轮尾迹与导风轮吸力面发生直接作用的前提下,应采用较大的周向偏置参数。     

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.      

高速燃油离心泵空化特性分析

为揭示高速燃油离心泵内部空化形态及隔舌区域空化的发生工况,对其进行了非定常数值计算,分析了不同流量下高速燃油泵内空化流场特性及压力瞬态特性。结果表明：在不同流量下,空泡首先在叶片前缘生成;随着空化数降低,空泡在叶片根部及延伸叶片背面产生;在1.2倍设计流量下隔舌区域的空化在低空化数下发生;空化对叶片表面根部的压力载荷影响较大;叶轮流道监测点压力脉动主频为叶轮轴频;隔舌监测点脉动主频为叶频,在1.2倍设计流量下的低空化数下隔舌区域监测点压力脉动频谱上轴频倍频特征增强。