平面跨音叶栅中粘流-无粘流的强相互干扰计算

为了设计高效率高负荷的跨音叶轮机械,气动计算中必须计入粘性的影响。当叶片表面流动不发生分离,或分离区很小时,流道内的流动可以分为叶片表面以及尾缘下游的粘性薄层——边界层和尾迹区以及除此以外的无粘流区。因而可以分别应用欧拉方程组及边界层方程组求解这两个区内的流动。无粘流-粘流的相互影响是通过无粘流计算及边界层计算的一系列迭代计算来实现的:由给定的气动参数及叶栅几何形状进行无粘计算,得到叶片及尾迹表面的流动参数分布,作为首次边界层及尾迹计算的输入数据,求得边界层及尾迹的排挤厚度δ_1,并以此对无粘流动的几何边界进行修正,作为下一次无粘计算的流场边界。这样的迭代重复进行,直到满足全场的总体收敛条件为止,其迭代框图如图所1示。     

干扰剪切流动稳定性理论及其对高雷诺数流动数值模拟方法的改进

在干扰剪切流(Interacting Shear Flow,ISF)理论的基础上,提出ISF稳定性理论并把它用于改进高雷诺(Re)数流动计算方法。(1)高Re数内外绕流的RANS计算及工业标准PNS计算中,流动转捩的预测均基于经典边界层理论;然而转捩并非总是最早发生在边界层中,例如发生在壁面小突起、小凹坑、小窄缝等局部粘性/无粘强干扰区,这些强干扰区可能位于边界层内,但边界层理论并不适用于它们,又如转捩发生在分离点邻域强干扰区等。(2)ISF理论表明:高Re数内外绕流为一复杂ISF,转捩总是最早发生在该ISF的层流区中。(3)ISF稳定性理论表明:作者提出的干扰剪切扰动流(Interacting Shear Perturbed Flow,ISPF)方程组可以计算ISF层流中非湍流扰动运动演化并预测转捩;ISF方程组和ISPF方程组分别与PNS和抛物化稳定性方程(PSE)为同类方程组,PSE分析计算边界层稳定性的众多成功实践,说明用ISPF(即PSE)方程组计算ISF层流扰动流并预测转捩完全可行。(4)RANS和PNS方法经ISF稳定性理论改进后,在转捩前用ISF方程组(即PNS)计算ISF层流基本流,用ISPF方程组(即PSE)计算ISF层流扰动流并预测转捩位置;转捩后RANS方法计算RANS或RANS/LES,PNS方法计算干扰剪切湍流(ISTF)方程组即抛物化RANS(PRANS)方程组。改进后的两方法,理论合理正确,方程体系完备、自洽,ISF方程组只能用ISPF方程组相配对,因此是高Re数内外绕流计算的理想且可持续发展的两种方法。     

多级轴流压气机端壁边界层中叶片力亏损的研究

本文基于对有经向间隙和无任向间隙两种情况下叶栅二次流造成边界层内叶片力的偏转的分析建立了计算叶片力亏损的模型。文中给出了由瑞壁边界层叶片力亏损计算压气机效率的方法。用上述方法对两台轮流压气机和一个进口导向叶片排计算了端壁边界层厚度,得到了环面堵塞系数,计算了一台压气机的效率。对计算结果的分析表明,用这种方法可见得到较合理的计算结果。      

三维机翼可压缩层湍流边界层计算

 从三维时间相依可压缩边界层动量积分方程和平均流动能积分方程出发,将二维可压缩层、湍流边界层积分方程算法推广到求解有限翼展后掠机翼的边界层流动。利用四步Runge-Kutta时间步进方案数值求解积分方程组,并利用当地时间步长加速迭代收敛。文中分析了数值方法的稳定性与收敛性,并考查了横向耗散项对计算结果的影响。算例表明,能获得令人满意的三维机翼定常可压缩层、湍流边界层的计算结果。     

大展弦比机翼的静气动弹性分析

大型飞机普遍采用的大展弦比机翼,其气动弹性问题显得尤为突出。通过求解基于三维结构网格的Euler/边界层耦合方程组,采用结构模态分析法,对HIRENASD机翼的静气动弹性进行了数值模拟。计算得到了机翼静弹变形前和变形后的压力分布以及不同攻角下翼尖变形值。计算结果和实验值对比分析,验证了Euler/边界层耦合方程组求解器对静气动弹性数值模拟的准确性,表明所发展的数值模拟方法可以用于大展弦比机翼静气动特性的分析研究。     

后掠翼可压缩三维边界层稳定性计算

采用可压缩线化稳定性理论对后掠机翼的层流边界层稳定性进行了计算研究。对三维边界层中三维扰动波的可压缩稳定性方程组特征问题采用相关两步格式求解。与常用的初值法相比,具有不需预估特征值和快速收敛的特点。为得到渐近边界条件的准确表达式,导出了外边界上方程的解析解,这对精确的特征值计算和分析至关重要。为避免出现伪不稳定模态,选择了合适的稳定性方程组形式。最后,通过层流控制机翼和自然层流机翼的算例,研究了后掠翼上典型Tollmien-Schlichting(T-S)型扰动和横流(C-F)扰动稳定性问题,其结果与已有计算结果符合甚好。     

叶片外换热计算程序STAN5收敛性改进

涡轮叶片外换热计算程序STAN5,采用Patankar-Spalding方法求解可压缩边界层微分方程,获得流动及温度边界层内的参数分布,进而得到叶片表面的外换热系数分布。本文分析了STAN5程序的求解方法,研究了程序在外流场存在较强逆压梯度时出现计算不收敛及错误收敛等现象的机理,并对程序进行了两点改进:修正了逆压梯度下边界层内部速度分布,建立了边界层内部沿流向的网格分布与主流压力梯度间的联系。改进后的程序有效地避免了计算发散等问题。     

弦向缝隙叶栅对边界层分离的控制

本文提出了一种在Ｓ１流面上进行势流与粘性流迭代求解弦向缝隙叶栅流场的计算方法，将Ｓ１流面上势流方程组的解与经Ｉ１１ｉｎｇｗｏｒｔｈ－Ｓｔｅｗａｒｔｓｏｎ变换后的边界层方程结合起来联立求解弦向缝隙叶栅流场。计算值同实验结果相当吻合，在正大攻角时，向缝隙叶栅能效地控制边界层分离。     

二维可压湍流边界层改进的积分方法

采用含高阶项的边界层动量积分方程,同时对常规边界层卷吸方程及延迟方程进行相应的高阶影响修正,得到改进的边界层积分方程组。应用此方程组对多种高亚音速及跨音速翼型边界层流动作了计算,并与一阶Ｇｒｅｅｎ方法计算结果及实验结果作了比较。结果表明,在边界层积分方程中保留法向压力梯度项及雷诺法向应力项,明显改进了翼面边界层接近分离区域处参数的计算精度。     

激波与壁面粉尘相互作用的数值研究

本文采用厚边界层理论建立了考虑两相耦合效应的气固两相湍流边界层方程用以研究激波与壁面粉尘的相互作用。方程中考虑了压力梯度，Ｓａｆｆｍａｎ升力和湍流扩散等因素对颗粒飞行轨迹的影响，并用Ｍｉｒｅｌｓ方程作为边界条件使方程组封闭可解。数值计算时，经适当变换的气相方程组用ＢＯＸ格式，拉格朗日坐标中的颗粒相方程用Ｒｕｎｇｅ－Ｋｕｔｔａ法，而源项则用颗粒源法和求质量加权的平均值获得。计算结果与某些实验结果较为     

喷注壁面楔状流层流边界层速度与温度相似解

建立了壁面有喷注的楔状流层流边界层冷却数学模型,求解经相似变换得到的描述无量纲流函数和无量纲温度的常微分方程,获得了楔状流层流边界层无量纲速度和温度的相似解,给出了考虑壁面喷注边界条件的形式简洁、物理意义明确的无量纲流函数拟合式;用Runge-Kutta法求解无量纲速度与温度的常微分方程,获得了壁面有喷注的楔状流层流边界层无量纲速度和温度随楔形角、吹风参数、冷却介质温度的变化规律.通过计算0°,18°和36°楔形角的楔状流层流边界冷却速度与温度分布得到以下结论:楔状流速度边界层和温度边界层厚度都随楔形角的增大而变小,随着吹风参数的增大而增大;当冷却介质温度越低、吹风参数越小、楔形角越大时,靠近壁面处楔状流层流边界层内温度梯度越大.      

内冷涡轮叶栅三维气热耦合数值模拟

为了研究涡轮动叶的内部冷却技术,对采用绝热边界的实心叶片、采用气热耦合的实心叶片和采用气热耦合的空冷叶片进行了研究.发现叶片导热对叶片温度场的影响相当显著;具有带肋蛇形通道和涡流矩阵肋片的内冷结构能使叶片温度大幅下降,但叶片表面温度分布不均匀性增大,换热系数沿叶片表面呈不规则分布.      

考虑叶片径向和垂直于壁面方向导热的涡轮叶片对流冷却模型研究

为了提高涡轮叶片对流冷却模型预测精度,提出了一种在叶片固壁内同时考虑叶片径向和垂直于壁面方向(法向)导热的二维对流冷却模型。该模型在弦长方向划分多个元素,忽略元素内弦长方向叶片温度变化,在元素内的径向和法向建立二维导热方程作为叶片固壁温度场的控制方程,其边界条件包括叶表燃气绝热温度、燃气侧对流换热系数和叶片叶根、叶顶热流密度等。给出了该模型二维导热方程和边界条件的差分求解方法。以E~3涡轮高压导叶为例,将模型与CFD计算的叶片外壁面温度分布进行了对比。结果表明,该模型在给定冷气量下预测的叶片温度分布变化趋势与CFD相近,最大温度误差不超过6.5%,计算时间与CFD相比缩短了95%,能够快速、准确预测涡轮对流冷却叶片的冷气需求量。     

基于雷诺平均Navier-Stokes方程的表面传热系数计算

采用有限体积法数值求解控制二维绕流的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程组,计算了光滑和粗糙NACA0012翼型以及圆柱表面的局部表面传热系数.分析了近壁面网格间距、湍流模式和表面粗糙度模型对数值计算结果的影响.结果表明:切应力输运(SST)湍流模型能够区分层流和湍流边界层的对流传热特性,并能预测转捩的发生;采用Spalart-Allmaras(S-A) 扩展模型能够计算粗糙壁面的对流传热系数,但采用忽略转捩函数的S-A模型不能有效计算层流边界层的传热系数.当近壁面网格间距接近10-5量级的黏性子层时,在光滑和粗糙壁面都能得到准确的传热系数分布.结合合适的近壁面网格间距,湍流模式和表面粗糙度模型可以得到与实验数据十分接近的表面传热系数曲线.通过与求解不可压缩RANS方程得到的结果比较后发现,不可压缩RANS方程主要忽略了压缩和黏性耗散效应,这种效应可以通过绝热升温项的形式并入总体热分析.      

具有发散冷却功能的曲面结构边界层特性实验和数值研究

用实验测量和理论计算相结合的方法,研究了具有发散冷却功能的曲面结构边界层流动和换热特性.半球形实验件由高温合金钢粉末烧结的多孔材料制成,孔隙率和特征尺寸分别为0.37和20μm.实验件外部的热流温度及速度由热风洞的控制系统给定,内部的冷气流量由数字式质量流量控制器给定,外表面温度由NEC TH5104远红外热像系统测量.利用FLUENT软件中的二维、稳态、局部热平衡模型,对实验件进行发散冷却特性数值模拟,并通过与实验数据的比较,验证数学模型和数值方法.      

Numerical analysis of the coefficients of temperature restitution and heat transfer in a turbulent dispersed flow

A technique is proposed and the results of the numerical investigation of the coefficients of temperature restitution and heat transfer on the surface streamlined by a turbulent dispersed flow are presented. The calculation data given involve that the coefficients of temperature restitution and heat transfer of the dispersed flow are significantly dependent on the nature of relative phase motion (with or without directional transverse particle displacement in the boundary layer), on the phase slip coefficients, and on the intensity of internal sources of heat and momentum in the boundary layer of the carrying medium.     

高压燃气涡轮径向内冷叶片气热耦合的数值分析

采用气热耦合方法对采用径向内冷方式的MarkⅡ型跨声速高压燃气涡轮金属导叶进行数值模拟,通过分析叶片通道内的传热和流动过程发现叶片表面附面层内流动非常复杂,包含层流流动、转捩和湍流流动状态,所以只有使用转捩模型计算的叶片附面层内流动与实际情况相符,叶片壁面温度和换热系数分布与实验结果吻合的较好,使用其他湍流模型由于不能准确描述附面层内流动而使得计算结果误差相对较大,但是所有的湍流模型都能很好的模拟附面层以外流动.      

涡轮叶片型面换热系数计算

本文用数值方法计算了无气膜冷却涡轮叶片上包括前驻点的整个型面上的换热系数。驻点区采用相似方程计算, 并用圆柱绕流近似表示驻点附近流场。较成功地模拟了边界层转捩和过渡区的换热情况。计算中考虑了来流湍流度的影响。      

基于水膜流动与耦合传热的翼型防/除冰计算

针对飞行器防/除冰过程中翼面上空气-水膜-冰层-机翼之间的耦合传质传热现象,建立了一种基于水膜流动与耦合传热模型的翼型防/除冰数值模拟方法.基于Myers水膜流动模型建立了防/除冰热载荷作用下翼面溢流水流动、积冰及内部温度分布的数值计算理论.对于翼型及冰层内的传热现象,利用焓理论及有限体积法建立了复杂多层结构传热的数值...