用于压气机流动计算的3种模型比较

为了更好地对压气机流动进行模拟,在课题组自行开发的结构化有限体积解算器上实现了用于压气机流场计算的混合平面法、谐波平衡法及相滞后法.以NASA Stage 35为例,对3种方法的计算结果进行了比较分析.结果表明:相滞后法的计算精度最高,混合平面法的计算精度最低;相滞后法与半环的双时间推进法结果相近,计算速度提高了20倍;相比混合平面法,谐波平衡法能准确地模拟动静叶间的非定常干涉及进出口参数变化;在谐波阶数达到5阶后,谐波平衡法计算得到的结果不随阶数变化,且与相滞后法的结果基本吻合;混合平面法的计算效率远高于另外两种方法,相滞后法与谐波平衡法在谐波阶数为5阶时的计算效率相当.      

时间倾斜法在叶轮机械非定常模拟中的应用

应用时间倾斜法处理非定常模拟中前后两排叶片栅距不相等的问题,通过对流动控制方程的时空转换,发展了相邻两叶排任意转速下非等栅距的非定常时间精确算法,使该方法拓展为适用于超常规动/动结构叶轮机械内的非定常流动计算.在此基础上编写了完整的时间倾斜法计算程序与约化算法计算程序.对某进口导叶/转子之间静/动干涉的非定常流场进行的计算表明:与约化算法相比,时间倾斜法采用原始单通道模型,真实地反映了流场的非定常性;同时,计算量仅为全通道模拟的2/41,大大节约了计算成本.      

非线性谐波法的进一步校验分析

基于定常Denton程序发展了二维定常、非定常、非线性谐波法计算程序,以二维跨声压气机叶栅为例,通过详细对比其定常、非定常和非线性谐波法的计算结果,包括确定应力场和叶片表面速度分布等,验证了非线性谐波法具有建模精度较高的优点的同时,也分析了该方法的不足,包括一些难以克服的主要误差来源,以及计算时间较长等弱点;并指出了掺混面处理对于非线性谐波法的重要性.      

上下游干涉对转子叶片颤振特性的影响

使用自行开发的非定常流动数值模拟程序,分别考虑上、下游叶排干涉作用对转子叶片的颤振特性进行了研究,分析尾迹和势干扰对气动阻尼的影响规律.对转子叶片表面非定常压力进行傅里叶变换,使用能量法计算气动阻尼,研究不同叶片排轴向间距下气动阻尼的变化.通过考虑转静干涉效应的气动阻尼与单转子结果对比,总结了干涉作用对叶片颤振特性的影响规律;结果表明:上游导叶与转子一倍弦长间距时,获得正气动阻尼,与单转子预测的气动弹性稳定性结果相反.说明在进行颤振特性预测时必须考虑转静干涉作用;尾迹和势干扰的强度均随着轴向间距值的减小而加强,且都会加剧叶片气动弹性失稳.      

轴流压气机非定常数值模拟方法精度分析

以Stage-35单级轴流压气机为研究对象,分别用相位延迟法、叶片约化法及非线性谐波法对其进行非定常数值模拟,并与实验及半环精确非定常模拟进行对比,以分析各非定常模拟方法的计算精度。结果表明:3种非定常计算方法在对流场时均参数的预测上均能达到半环精确非定常模拟相同的精度,但几何改变使叶片约化法得到的频谱特征尤其是基频谐波幅值产生较大变化;相位延迟法虽能较准确预估基频谐波幅值,但在其余谐波处则精度通常低于叶片约化法;非线性谐波法在计算参数的非定常时域及频域特征时精度比相位延迟法和叶片约化法低。      

离心式压气机模型级内非定常流动的数值试验

应用同位网格下的压力校正算法和滑移网格技术 ,在贴体曲线坐标系下 ,对离心式压气机模型级内部由于叶轮与叶片扩压器相互作用引起的三维非定常湍流流场进行了数值模拟。计算结果表明 ,在设计工况下 ,由于叶轮与叶片扩压器的相互作用引起的非定常干涉流动 ,对整级内部流动有非定常影响。速度场的非定常特性主要表现在叶轮与叶片扩压器间的径向间隙范围内和扩压器的入口处 ,在叶轮和扩压器叶道内部衰减很快。而压力脉动同时向流道的上下游传播 ,在叶轮和扩压器内部流动仍具有显著的压力非定常脉动。计算结果还模拟了扩压器入口处运动涡系与扩压器叶片的相互作用及其周期性衍灭过程     

双重时间步方法在非定常流场模拟中的应用

在非定常流动的数值模拟中引入隐式双重时间步方法 ,并对2种经典的非定常流动现象进行计算 ,取得令人满意的结果,证明双重时间步方法具有较好的精度和较快的收敛速度。应用此方法对压气机动静叶非定常流场进行研究,结果表明高损失区集中在边界层附近及尾迹区;上游叶片排尾迹对下游叶片通道流动影响很大,它增加边界层损失,并在通道中与主流发生强烈掺混,最终使得出口流场及损失分布较为均匀。     

转静干涉下转子叶片的非定常压力频谱

分别采用多通道模型和相位延迟方法的单通道模型对一压气机转子叶片因转静干涉引起的表面非定常压力进行了分析.对比了转子叶片表面非定常压力的时域和频域信息,并对其高阶主导频率进行了分析.结果表明:相位延迟方法与多通道法计算结果吻合,转子叶片非定常压力的峰值频率为叶片通过频率及其倍频,叶片中部以上区域2倍叶片通过频率的非定常压力幅值约为1倍频的2倍,分析认为这是由尾迹输运和激波振荡导致的,可为深入分析叶片由振动导致高循环疲劳失效的成因提供参考.      

某涡轮级三维流场非定常数值研究

基于耦合Lantry-Menter转捩模型的SST(Shear stress transport)湍流模型,对某涡轮级在3个雷诺数工况下的全三维流场分别进行了定常、非定常数值模拟,目的在于对比分析两种计算方法所得结果之间的差异。计算结果表明,进口雷诺数为4×104时和5×105时,定常与非定常计算的涡轮级效率的差异较大,最大相差0.6个百分点,而当雷诺数为8×104时,两者差异很小;非定常计算能够较好的模拟叶尖泄漏涡的发展过程、低雷诺数下上游尾迹与下游转子叶片吸力面分离边界层干涉诱导卷起涡的形成、输运及其所导致的叶片吸力面表面压力大幅波动等非定常流动现象。最后,给出了转子出口截面上周向与径向的非定常压力脉动的分布,为基于Lighthill声类比方法的计算气动声学研究奠定了基础。     

单级轴流压气机确定应力场计算精度分析

为分析各非定常模拟方法对于确定应力场的计算精度以便为确定应力的建模与校准提供指导,以Stage35单级轴流压气机为研究对象,分别用相位延迟法、叶片约化法及非线性谐波法对其进行了非定常数值模拟,并将得到的确定应力分布与半环常规非定常模拟进行对比。结果表明:非线性谐波法对于确定应力的预测值通常偏大,而相位延迟法及叶片约化法均能较准确地捕获流场确定应力分布,但对于确定应力的周向变化,三种方法的预测精度均不高;谐波阶数的增加有助于提高非线性谐波法对于流场频谱特征的计算精度,并且使确定应力有增大趋势,但对时均参数的预测精度影响很小。     

临近空间高速飞行器抛罩过程的动网格方法对比

飞行器抛罩是一个复杂的动力学、流体力学耦合问题,涉及六自由度运动方程与N-S方程的耦合求解,其中动网格非定常计算是关键技术。针对二维临近空间高速飞行器,将耦合过程简化为匀速旋转抛罩,对比分析了光顺重构法、重叠网格法、域动分层法三种工程易行的动网格方法的仿真结果,并得到如下结论:三种方法在整流罩关闭状态下的定常流场结果一致,均能捕捉到非定常开罩过程的典型特征,得到正确的起动结果;在非定常过程中光顺重构法的分离区吞入速度慢于重叠网格法和域动分层法;重叠网格法的计算通用性最好,域动分层法的计算速度最快,光顺重构法的理论精度最高;由于光顺重构法的网格更新对于复杂模型容易失败,域动分层法只能处理运动轨迹已知的问题,三维动力学耦合计算建议采用重叠网格法;在进行整流罩的三维设计时,应考虑溢流效应以缩小整流罩前方的大分离区,降低飞行器的控制及热防护上的困难。     

风扇/压气机叶型厚度对颤振特性的影响

采用计算流体力学与结构动力学相结合的方法,数值模拟了三维振荡叶栅非定常黏性流场;通过对叶片表面非定常气动力及其所做非定常气动功的计算分析,采用能量法对叶片颤振与否进行预估判断。针对三维直叶片和风扇转子叶片,通过调整叶片的相对厚度,研究了叶片厚度变化对风扇/压气机颤振特性的影响。此外,通过对振荡叶栅非定常流场结构的研究,发现了叶片吸力面气流分离与叶片振动之间的耦合关系。本文的研究在风扇/压气机设计中,可用于评估最大相对厚度等叶型结构设计参数对气弹稳定性的影响,对叶轮机颤振机理研究具有一定的参考意义。     

跨声风扇周向畸变流动的谐波平衡法计算

研究了采用"相位延迟"边界条件的谐波平衡法用于周向进气畸变计算的可行性及其计算效率,考虑了进气总压畸变形式为正弦波和方波的两种情况。对于正弦波形式的进气总压畸变采用较少阶数的谐波计算就可得到和双时间推进法相近的计算结果,计算速度最大可以提高48倍。对于方波形式的进气畸变,则需要采用更多阶数的谐波计算才能还原得到较准确的非定常流场,计算速度提高了7倍。算例表明,谐波平衡法可以有效的应用于跨声风扇周向进气畸变的非定常计算中,同时大幅提高计算速度。     

适用于非周期流固耦合问题的时间谱方法

针对非定常流固耦合设计、分析问题所面临的计算效率与精度、鲁棒性之间的矛盾,采取将Chebyshev谱方法与基于非定常面元和几何非线性梁有限元模型的流固耦合分析方法相结合的方式,建立了针对大展弦比机翼非定常流固耦合优化设计问题的,可与伴随方法相结合的时间谱方法。Chebyshev谱方法直接对流固耦合的控制方程进行处理,利用Chebyshev算子替换系统状态变量,将非定常问题转化为Chebyshev控制点处耦合的定常问题。通过这种方式建立的流固耦合时间谱方法具有较高的计算精度、效率和足够的鲁棒性。验证算例及Goland机翼颤振速度计算实例表明,Chebyshev谱方法的计算精度随着Chebyshev控制点个数的增加而不断增大。只需选取较少的控制点,Chebyshev谱方法便可以达到满足精度要求的计算结果。与此同时,建立的流固耦合时间谱方法不仅适用于周期性非定常问题还适用于非周期性非定常问题。     

双旋翼微型飞行器的非定常气动特性

发展了一种基于计算流体力学(CFD)的非定常气动特性预测方法,计算方法包括了动量源模型、预处理方法、非结构嵌套网格和Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型等技术.通过计算悬停Caradonna-Tung算例和俯仰振荡NACA0012算例,验证了计算方法模拟双旋翼微型飞行器动态流场的有效性.数值模拟了双旋翼微型飞行器动态流场,给出了非定常气动系数的迟滞曲线,分析了缩减频率、前飞速度和螺旋桨转速对非定常气动特性的影响.计算结果表明:力矩系数迟滞效应随缩减频率、前飞速度和螺旋桨转速增大而增大,升力系数迟滞效应随缩减频率和前飞速度增大而增大,但基本不随螺旋桨转速变化而变化.      

轮盘径向破裂转速计算方法分析及修正

分析了轮盘径向破裂转速理论计算方法及常用平均径向应力计算方法的含义及其特点.且依据理论计算方法的含义,提出了基于有限元计算结果的轮盘径向破裂转速计算修正方法.通过实例应用,证明了相对于理论方法计算结果,修正方法较常用平均径向应力方法计算精度更高,其计算精度由6.6%提高到0.5%以内,且修正方法较理论方法使用更方便、工程适用性更强.      

基于变步长CFD/RBD方法的旋转弹轨迹仿真

采用变步长方法实现非定常Navier-Stokes方程和刚体六自由度运动方程的耦合求解,并对美国ARL旋转弹试验模型的飞行轨迹进行了仿真。旋转弹自由飞行过程中受到空气阻力作用,转速下降,气动力变化趋缓。因此轨迹仿真时先选取较小的时间步长,随着转速的下降逐渐增大步长,这样可以减少计算时间。刚体六自由度运动方程的数值求解采用变步长Adams预估校正法。将定步长和变步长两种方法应用于旋转弹实验模型轨迹仿真,并将计算得到的旋转弹空间位置、姿态角与试验结果进行了对比,结果显示:方法能较精确地仿真旋转弹飞行轨迹。在相同初始步长条件下,变步长方法较定步长方法计算时间减半;在相同计算时间条件下,变步长方法较定步长方法精度更高。     

考虑压气机动静干涉效应的非设计工况性能数值模拟

1引言非定常流动是叶轮机械内部固有的本质属性,而现有的设计体系中不论是在设计或分析时基本上采用定常流动的假设,从而忽略了非定常流动对叶轮机械在气动、结构强度等方面的影响。目前,国内外对非定常流动的研究比较多,但其中采用非定常流动数值模拟方法预估压气机非设计工况     

论有限元素理论中SUPG方法与PG方法在解高速粘流时的等效性

对流场中含激波问题,若用有限元法来数值模拟,目前较有效的方法是SUPG方法和PG方法。本文讨论了这两种方法在数值求解N-S方程组时具有等效性,并对它们的应用前景作了简单的评估。