基于动态边界的跨声速压气机过渡态三维模拟方法

针对航空涡轮发动机部件的过渡态,提出了一种基于压气机部件三维模型的过渡态性能计算方法,采用动态边界条件,以转速和出口静压为过渡过程的控制参数,二阶向后欧拉法求解三维非定常雷诺平均Navier-Stokes方程组,通过三维非定常模拟获得压气机的过渡态性能和内部非定常流场特征。以NASA跨声速压气机Rotor 67转子为模型,采用该方法模拟了压气机从60%设计转速加速至100%设计转速的过渡过程,获得了压气机过渡态性能及转子内部详细的激波结构与演变过程。对比通用特性结果,在整个过渡曲线上,总压比相对误差最大值小于6%,绝热效率相对误差最大值小于2%,验证了该方法的可靠性。结论表明:基于动态边界的三维非定常模拟方法能够准确模拟压气机的过渡态性能,并反映出过渡态的非定常流场详细信息。     

涡轮级轮缘封严内非定常流场的准三维LDV测量

研究涡轮级封严内流动和主流的相互作用、相互影响,进一步认识盘腔内燃气入侵等非定常现象,急需流场实验数据验证。针对轮缘封严内空间狭窄、光路安排困难等问题,本文发展了一种用于测量涡轮级轮缘封严内非定常流场的准三维LDV技术,即测量分两步,首先在机匣上安置二维测速系统用符合方式测出径向、切向速度及湍流度,再在轮毂内安置一维探头重复测量,从两次测量数据中计算出轴向速度;该技术借助锁相采样等技术能测出不同动静叶相对位置情况下封严及盘腔内的周期性非定常流场细节,本文给出了部分典型的动态流场测量结果。      

跨声速多级压气机中的非定常流场频域分析

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,并在此基础上对典型径向截面的非定常流场进行了频域分析。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,可以看到一些在时域流场中很难直观看到的现象;轴向速度受尾迹的影响非常大,且在沿流向发展过程中,随着谐波阶次增加,幅值沿轴向的振荡幅度降低,幅值衰减的速度也加快;各叶排进口1阶谐波幅值在S3面内的分布受到下游叶排的势干扰,周向最大值点沿径向的走势与叶型的径向弯曲一致;气流密度、静压和总压受尾迹的影响较小,而气流静温、总温受尾迹的影响较大。     

大迎角振动三角翼跨声速粘性绕流数值分析

本文通过数值求解三维可压缩雷诺平均ＮＳ方程，研究发析了振动三角翼的三维复杂非定常流场，其中对流场项计算格式的空间离散在平行物物理面方向与物面法线方向的空间导数分别采用二阶ＮＮＤ格式和由ＮＮＤ格式高阶插值而得到的三阶迎风格式，时间推进为隐式ＬＵ分解方法，并使用了修正的代数ＢＬ湍流模型模拟高雷诺数的湍流流动。     

类升力体外形俯仰阻尼特性数值研究

采用有限差分方法求解薄层近似的非定常Navier-Stokes方程，定常流场采用交替方向隐式分解的NND格式，非定常流场采用四步Runge-Kutta方法，在保证时、空二阶精度前提下引入变系数残值光顺技术提高非定常流场计算效率，复杂带翼外形的空间网格通过求解抛物化的椭圆型方程生成，最后在Etkin理论下给出球锥及类升力体外形的俯仰阻尼导数计算结果。     

风扇进气畸变三维非定常数值模拟技术研究

采用三维欧拉方程加体积力模型的方法, 发展了一套三维非定常进气畸变数值模拟程序, 以实现风扇/压气机在进气畸变条件下的全环面三维非定常数值模拟.利用该程序模拟计算了某航空发动机风扇进口稳态总压畸变条件下特性和流场结构, 并与试验结果进行了对比, 结果表明该程序用较小的计算机资源即可以实现对风扇全环面三维非定场畸变流场的模拟, 能够以较高的精度预估气流畸变对压气机/风扇特性的影响.      

黏性彻体力建模方法及其应用

研究了将Navier-Stokes方程中黏性项简化为黏性彻体力的建模方法,并将该模型加入已有的计算流体力学(CFD)程序中,实现了用三维欧拉方程加黏性彻体力模型快速模拟叶轮机三维非定常流动的方法.使用该方法对进气周向总压畸变条件下的某双级压气机非定常流场进行了模拟,并与雷诺平均的Navier-Stokes(RANS)程...     

非定常N-S流中的瞬时临界点

本文用微分方程的相似理论把非定常轨线方程变换成自洽系统,考察变换后临界点邻域在非定常流场中的映象,进而对非定常流中“瞬时临界点”溉念的可用性及其限度作了讨论。     

跨声速风扇转子内流场三维PIV测量

在压气机试验台上开展了跨声速风扇转子内流场三维PIV测试技术研究。对跨声流场粒子跟随性、狭小空间光路布局、高速旋转件周向定位、三维标定等技术难点进行了攻关,发展了适用于高速旋转件内流场测量的三维PIV技术,获得了低转速及跨声速转速下工作点转子通道内部的详细流动结构,且与PSP测量结果吻合较好。本研究为跨声速压气机内流场研究提供了非接触测试手段,同时研究成果也为数值模拟及压气机设计改进提供了详细的试验数据。     

多体分离非定常气动特性数值模拟

发展建立了用于研究多体分离的非定常流场数值模拟方法,该方法采用网格弹性变形的结构网格动网格技术,采用有限体积法求解ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)描述形式的三维非定常Euler方程,与刚体运动方程耦合,数值模拟了子弹穿越母弹头部激波的子母弹分离过程,并与采用攻角修正的准定常计算结果进行了对比分析,表明多数情况下两种数值方法得到的结果比较接近。     

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。     

单斜热丝测量叶轮机内三维流动

本文改进了单斜热丝测量三维流动的计算处理方法,其特点是精度高、气流角度测量范围宽。测量中,置斜热丝于三个以上角度位置,借助高速数据采集系统和锁相采样平均技术,进行采样处理,再用本文发展的程序,计算三维速度平均量。用这种方法,成功地测出了轴流压气机转子出口周期性三维流场。对校准风洞流场的测量核实表明,速度测量误差不超过1％,角度测量误差不超过1°。     

后置静叶周向弯曲对表面非定常压力脉动的影响

在目前的叶轮机械中,普遍存在着旋转动叶与后置静叶干涉产生的非定常流动现象。这种流动现象会导致静叶表面产生非定常性压力脉动。这种脉动可分为旋转动叶的速度亏损尾迹引起的叶片表面的周期性脉动和气流本身的湍流脉动及其他涡团导致的随机脉动两个方面。采用一工业用单级通风机,对其动静叶的干涉现象进行研究。通过在后置静叶表面沿弦长及叶高方向布置动态压力传感器的方法,研究静叶的周向弯曲（倾斜）角度对静叶表面的非定常力的影响。研究结果表明：采用周向弯曲静叶会改变动叶尾迹所引起的后置静叶周期性脉动的幅值在静叶表面的分布特点,静叶顶部压力脉动的幅值与原始径向静叶相比能够有效地降低,同时与中部的压力幅值相比有一定提高,但整体呈现下降趋势;另一方面,静叶表面随机性的压力脉动强度受周向弯曲的影响较小。     

研究转子内流动的大尺寸轴流压气机实验装置和动态测量技术

本文在评述国外同类技术的基础上,介绍近年研制成的,以研究转子内流动为主要对象的低速大尺寸轴流压气机实验装置和动态测量技术,包括实验台、旋转四坐标全电动探针位移机构、并行多通道高速数据采集器、高频压力探针及一整套高频压力探针、热丝和激光多普勒动态测量技术,列举了典型的转子内和转子进、出口复杂流场测量结果。      

楔顶双孔探针测量跨声多级压气机转子出口三维动态流场的方法

发展了1种楔顶圆柱双孔高频压力探针测量三维动态流场的方法,并应用于某跨声速多级轴流压气机转子出口流场测量.该探针测量方法基于4孔针测量原理,通过旋转探针在3个角度测量的方法实现,并采用最小二乘拟合方法对探针气动校准数据进行处理,对拟合误差进行优化,得到最佳拟合阶次,进而获得精度较高的求解流场参数的近似函数.相比国内外同类探针,该楔顶圆柱双孔高频压力探针尺寸小、频响快、测量范围宽、测量精度高.借助高速锁相数据采集技术,利用该探针测量了某跨声速多级压气机转子出口三维动态流场,测量结果反映了该转子流动特征,提供了转子出口气流偏转角、俯仰角、总压、马赫数分布,并为优化压气机级间匹配指明了方向,为压气机流场诊断提供了一套行之有效的测量手段,验证了该高频压力探针测量技术的工程应用价值.      

Experimental investigation of flow field in a laboratory-scale compressor

The inner flow environment of turbomachinery presents strong three-dimensional, rota-tional, and unsteady characteristics. Consequently, a deep understanding of these flow phenomena will be the prerequisite to establish a state-of-the-art design system of turbomachinery. Currently the development of more accurate turbulence models and CFD tools is in urgent need for a high-quality database for validation, especially the advanced CFD tools, such as large eddy simu-lation (LES). Under this circumstance, this paper presents a detailed experimental investigation on the 3D unsteady flow field inside a laboratory-scale isolated-rotor with multiple advanced measure-ment techniques, including traditional aerodynamic probes, hotwire probes, unsteady endwall static pressure measurement, and stereo particle image velocimetry (SPIV). The inlet boundary layer pro-file is measured with both hotwire probe and aerodynamic probe. The steady and unsteady flow fields at the outlet of the rotor are measured with a mini five-hole probe and a single-slanted hotwire probe. The instantaneous flow field in the rotor tip region inside the passage is captured with SPIV, and then a statistical analysis of the spatial distribution of the instantaneous tip leakage vortex/flow is performed to understand its dynamic characteristics. Besides these, the uncertainty analysis of each measurement technique is described. This database is quite sufficient to validate the advanced numerical simulation with LES. The identification process of the tip leakage vortex core in the instantaneous frames obtained from SPIV is performed deliberately. It is concluded that the ensemble-averaged flow field could not represent the tip leakage vortex strength and the trajectory trace. The development of the tip leakage vortex could be clearly cataloged into three phases according to their statistical spatial distribution. The streamwise velocity loss induced by the tipleakage flow increases until the splitting process is weak and the turbulent mixing phase is dominant.     

周向弯曲叶片内部三维流动扩稳机理的实验研究

对带有周向前弯和周向后弯叶片的低压轴流风机,采用双丝热线技术实验研究了周向弯曲叶片出口三维流动随流量降低变化规律。基于测量结果,详细阐述了周向弯曲叶片流道内三维流动结构的演化发展过程,分析非设计工况下叶片弯掠对流动的影响规律,结合径向平衡方程讨论了周向弯曲叶片对变工况边界层迁移的控制。结果表明：小流量工况下,周向弯曲叶片显著改变了流道内流动结构,且明显改善上下端壁区域的流通性,对于扩大稳定工作范围有着积极的作用;由于旋转离心力的增大,Fr对于径向压力梯度影响也发生变化,从而改变边界层的迁移方向和速度。     

压气机内有效滞止压力概念及其应用探索

提出了有效滞止压力的概念来综合考虑流体微团速率与方向对其做功能力的影响,并结合风扇/压气机内部流动的设计要求,从工程应用层面给出了有效滞止压力和压差系数的定义.初步结果表明,有效滞止压力的应用可以更好地反映流动方向对叶轮机非定常流场的影响,并使得流场性能参数对流场质量的变化更敏感,对于合理分析非定常流场是有益的.      

时域法在压气机转子气动弹性计算中的应用

发展了用于三维叶轮机气动弹性计算的软件系统AEAS(aeroelastie analysis system).该系统采用时间推进法求解转子叶片的瞬态位移及动应力,以模拟压气机转子中的气动弹性现象,AEAS主要应用于强迫响应分析和颤振分析,强迫响应分析中,在坎贝尔图上共振点对应的工况下,在转子叶片上施加周期性变化的非定常...     

非定常动静叶干涉作用的二维数值模拟

采用涡方法研究叶轮机内动、静叶间的相互作用,它利用全三维的、通道时间平均的定常解为基础解,并由此给出非定常扰动场的初始解。为计算叶片对扰动场的响应过程,采用拉格朗日方法追踪扰动涡团的对流流动过程,用确定性涡方法来描述流体的粘性扩散过程。用该方法对某型压气机的一级（动、静叶栅距比为１．７４）的动、静叶相互作用,进行了二维有粘问题的数值模拟。数值结果表明,该方法具有较好的收敛性和收敛速度;转子出口的尾迹和各种旋涡等非定常因素在静叶通道中的切割、迁移过程,非定常性对静叶攻角的影响以及脉动压力的振幅衰减特性也在文中作了分析。