叶轮机械全环非定常大规模并行模拟程序设计

为了更加精确地模拟叶轮机械内部复杂的三维非定常流动,开展了全环网格模拟方法探索,提出了针对滑移面的守恒变量插值和高效的大规模并行计算解决方案。基于千万亿次高性能计算平台,自主开发了非定常数值模拟程序,采用单级压气机、1.5级涡轮和3.5级高负荷压气机三个算例进行了程序的验证与确认,以及并行效率测试工作。模拟采用的最大网格数为2亿,计算核心数为4096个。结果表明:程序计算得到的整体气动性能与试验数据吻合良好;程序所采用的全环非定常计算模型能保证交界面处物理量的连续,削弱非物理熵增,得到更加可信的流场解;所采用的METIS的网格分区方法以及MPI并行策略使程序具有良好的负载均衡和并行效率;同时程序对超大规模的复杂问题具备良好的可扩展性和适应性,能够满足工程实际问题的流动分析和叶轮机械的精细流动研究要求。     

数控电解加工整体叶轮的关键技术

以平行直纹型面的数控展成电解加工为例，对数控电解加工整体叶轮的主要关键技术，包括成形规律、展成运动、数控编程、阴极设计制造、机库及多轴联动数控系统、典型叶轮加工工艺逐一进行了介绍。     

叶轮机械三维不可压Euler方程的直接解法

本文用近似因式分解交替方向隐式格式直接求解叶轮机械中原参数三维不可压Euler方程组。在连续方程中引入“拟压缩性”之后,将原来类型不确定的控制方程变成双曲型方程,给定初边值之后用时间推进法求得稳定解,对一个单级压气机转子内部流场进行了计算,结果与实验值比较符合。     

上游叶片尾迹对转子叶片非定常表面压力频谱特性影响的研究

为了研究上游叶片尾迹对轴流压气机转子叶片非定常表面压力的影响,采用在叶片表面埋设微型压力传感器的方法,测量了一个单级低速轴流压气机转子叶片的非定常压力分布。对转子叶片非定常压力分布的分析显示:转子叶片压力面非定常表面压力主要受上游叶片尾迹影响,其主导频率为上游叶片尾迹频率及其倍频,压力波动幅度随上游叶片尾迹的衰减而沿流向减弱。转子叶片吸力面非定常压力受叶片附面层和上游叶片尾迹共同影响,其主导频率为上游叶片尾迹频率及其倍频,但是在吸力面前部气流加速区压力波动幅度沿流向增大,而在吸力面后部气流减速区压力波动幅度沿流向减小。在存在尾缘分离的情况下,在分离区附近产生较大压力波动。尾缘气流分离产生的压力波动频谱中含有上游叶片尾迹频率及其倍频的分量,但其频谱可能比较复杂,并非单一地受上游叶片尾迹影响。      

基于压电纤维复合材料的离心叶轮叶片高阶模态测量

为准确获取离心叶轮叶片的高阶振动特性及其模态,利用压电纤维复合材料(Marco fiber composite,MFC)对离心叶轮叶片进行模态测试。设计了MFC激励系统,提出了MFC选型、激励和测点位置的确定方法,研究了不同信号的高阶模态激励效果,并分析了MFC附加质量和刚度对叶片固有频率和模态的影响;结合有限元仿真结果,对比分析了前20阶振动模态的异同。试验结果表明:MFC具有操作简单、重复性好、信噪比高、能够稳定激励出高阶模态等优势,计算模态与测量模态吻合较好,在第6～8阶与第12～15阶之间存在模态密集区域;MFC附加质量和刚度对实验固有频率的影响低于4%。提出的MFC激励方法可用于具有较高固有频率的航空发动机部件的模态测量。     

叶轮行波振动下的气动阻尼计算

为展开运动边界下离心叶轮流场的数值分析,独立开发了网格变形程序和非定常流动模拟程序,实现了流场中振动离心叶轮的气动阻尼计算。采用紧支径向基函数法进行结构到气动表面变形的数据传递,应用二叉树技术进行壁面距离的计算,大幅提高了网格变形和流场分析中距离搜索的计算效率。通过振动叶栅和径向叶轮的算例,验证了程序应用于运动边界流场计算和叶轮流场模拟的正确性。以半开式叶轮为对象,展开其在行波振动条件下气动阻尼的计算分析。结果表明,叶轮在前、后行波振动下的气动阻尼均为正,后行波振动引起的气动推力和气动阻尼较大,叶轮表面的平均气动功率密度呈现循环对称的分布特征。     

离心压气机近失速工况叶尖流场特征及泄漏涡面涡模型

为研究航空微型涡轮发动机离心压气机的失速机理,采用数值模拟的方法,对压气机在设计点和近失速点的流场特征进行了研究,并对叶尖泄漏涡进行了建模。结果表明:在近失速工况下,更多的来自轮毂处的低能流和二次流会汇入叶轮通道近壁面的低速区,使得叶尖的堵塞加重,泄漏涡轨迹的偏转及其卷吸作用可能是造成这种现象的原因。通过在压气机机匣外侧引入虚拟镜像涡的方法,应用机翼涡对的不稳定性理论和面涡模型对泄漏涡建立了模型。应用该模型对本文研究的离心压气机以及三个国内外具有典型代表性的压气机进行了预测,表明模型得到的频率同计算和实验结果具有较好的吻合性,对德国宇航院压气机的预测频率与其实际频率的误差仅为2.8%。总体而言,当间隙高度较大时,模型的预测更为准确。     

离心压缩机密封及空腔流动的一维/三维耦合建模研究

为了在保证数值预测精度的同时降低离心压缩机的建模复杂度,以一维密封泄漏计算替代完整的密封及空腔建模,开展了离心压缩机盖盘密封及空腔流动的源项建模方法研究。结果表明:基于源项方法的密封及空腔简化建模仅需在主流道建模基础上施加泄漏质量流量、总温和摩擦损失源项边界条件,即可较高精度地还原完整的盖盘密封及空腔建模的性能和关键流动细节。与完整建模相比,在全工况下源项建模预测的等熵效率的绝对偏差小于0.65%,总压比和等熵效率的相对性能偏差小于1%。该方法可在满足下游部件匹配设计精度需求的同时,减少50%以上的网格数量,并显著提高计算的经济性和收敛性。泄漏流量的计算精确度是影响源项建模法性能预测准确性的最关键因素,耦合建模可以采用一维计算中推荐的密封泄漏系数值。      

微小整体叶轮五轴联动微细铣削加工试验研究

微小整体叶轮作为微型发动机的重要组成部分,其加工质量直接影响微型发动机的使用性能。针对微小整体式复杂叶轮流道狭窄、叶片扭曲大和长厚比大等特点,开展了微小复杂扭曲整体式叶轮五轴联动微细铣削加工方法研究。针对微小叶轮加工过程极易发生变形、过切和碰撞干涉等问题,对微小叶轮的加工过程进行工艺规划,建立了微小叶轮流道加工刀具选择的约束方程,计算出叶轮加工刀具的最大理论直径。通过CAM软件对叶轮进行切削仿真,验证了刀具选择和工艺规划的正确性。通过五轴联动微细铣削试验,得到了具有6个直径10mm的叶片、叶片最小厚度0.15mm、叶片最小相邻间距0.58mm的7075铝合金微小整体叶轮。     

液体火箭发动机推进剂泵诱导轮与离心轮的匹配

为获得诱导轮离心轮周向匹配的时序效应对离心泵外特性以及压力脉动的影响规律,阐释相关作用机制,采用基于分离涡仿真（DES）的离心泵三维全流道数值仿真方法,引入熵产理论以及压力脉动强度系数等先进分析方法对不同匹配角度下离心泵内能量损失机制及压力脉动特性进行了研究。结果表明：离心轮诱导轮的时序效应对泵外特性有一定的影响,随着匹配角度的增加,扬程和效率均呈现先减小后缓慢增大的趋势,扬程变化为0.8%,效率变化为1.2%,其影响机制由不同匹配角度下叶轮通道分离涡、叶轮叶片尾迹以及靠近隔舌处扩压器通道回流涡变化决定;时序效应对离心轮扩压器动静干涉效应影响显著,当诱导轮叶片尾缘位于离心轮相邻主叶片中间位置时,能够有效消除3倍频成分,显著降低泵内压力脉动水平,其中动静干涉区域以及隔舌处扩压器叶片表面压力脉动平均降幅分别达到14.5%和16.7%。