船舶间冷循环多级动力涡轮气动优化设计

为了进行燃气轮机的间冷循环改造研究,需要对动力涡轮进行高效大功率重新设计。传统的准三维设计,由于对粘性影响的估算精度不够,导致设计和实际结果有一定偏差,尤其是对于多级涡轮设计,不但恶化了端部流场,还容易导致级间参数不匹配等问题。而近些年来的各种优化理论应用涡轮设计过程,由于计算量大、计算时间长、变量样本空间过于庞大,在实践中往往设计周期长,且难以有效实现。考虑了近端壁处粘性的影响,发展了一种基于传统无粘可控涡设计的局部环量再分布的先进涡设计技术,尽力减少端部二次流损失,并且改善叶片列间的匹配性能。基于CFD软件平台,将所发展的先进涡设计、级环境下单列叶栅局部优化和多级涡轮匹配优化联合实现多级涡轮的气动优化设计。最终所设计的间冷循环五级动力涡轮在满足设计流量的前提下,功率比设计值略高,轮周效率提高了1.36%,达到了轮周效率提高1%的设计要求。     

[γ-Reθt]转捩模型在跨声速涡轮叶栅中的应用

为了解涡轮叶栅在跨声速条件下的流动特性和准确预测涡轮叶栅外换热情况,对γ-Reθt转捩模型,依据零压力梯度时自由流湍流度衰减实验结果,给出了一种直接估算来流粘性比的方法,以保证叶片前缘附近具有正确的自由流湍流度分布,提高换热预测准确度;同时减少试算次数。对MARK II与VKI两种叶栅通道跨声速工况下的流动换热情况使用CFX软件,选取层流模型、SST k-ω模型以及缺省粘性比和设定合理粘性比的γ-Reθt转捩模型进行了数值模拟验证,计算结果与实验数据的对比表明:转捩模型优于其他模型;而采用本文方法给定进口粘性比,能准确预测转捩位置,同时显著改善γ-Reθt转捩模型对不同来流湍流度下涡轮叶栅表面换热的预测精度;当入口湍流度较高,相比采用缺省粘性比情况,压力面上换热系数的相对误差降低30%以上,控制在7%左右。     

尖前缘平板的高超声速粘性干扰效应引起的压力分布规律研究

采用CFD方法计算了多种来流条件下高超声速平板绕流的粘性干扰现象,计算与实验结果吻合良好。针对理论分析在平板前缘失1效的情况,结合理论分析、CFD结果和试验结果对原有沿流向壁面压力分布关系式进行了修正,使得修正后关系式在整个平板上与相关数据吻合,显著增加了压力分布关系式的应用范围。同时根据CFD计算结果,分析了平板附面层内压力等流动参数的分布规律,发现附面层内法向压力分布存在峰值,壁面压力分布大于来流静压,并给出了峰值压力及其位置的拟合式。     

用于粘性可压缩流动数值计算的SIMPLE方法

对SIMPLE方法加以推广,使之适用于可压缩粘性流动的数值计算。采用非交错网格技术,推出三维任意曲线坐标系下可压缩形式SIMPLE方法的计算方程。对亚音速、跨音速及超音速等5个流场进行了数值计算并与有关文献及实验数据进行比较。      

粘性三维流动计算的任意拉格朗日—欧拉法

推导了旋转叶轮内流三维粘性流动计算的ALE格式。以网格的虚拟运动计算对流作用;采用粘性子循环时步、拉格朗日子循环时步加速收敛;改进上风格式为部分施主单元格式来减小扩散同时实现良好的计算性能;由通量限制控制耗散截断误差;计算中引入短波长阻尼以消除不规则性;以亚网格(SGS)湍流模式模拟湍流运动。      

扩压器内二维湍流流动的时间推进数值解

ＡＦ有限差分理论。指出薄层Ｎ－Ｓ方程抛物化后右端粘性项是主元素变量矢的一个简单线性函数,这对实际计算很有用。应用隐式ＡＦ方法计算了为发动机进气道设计的典型扩压器内的复杂湍流流场。研究表明,计算结果与实验结果基本一致,这为三维非定常湍流流动进一步研究提供了基础。     

高速粘性内流的高分辨率高精度迎风型杂交格式

本文在有限体积离散和ＬＵ分解的基础上，构造出一个新的隐式迎风型杂交格式，并用于求解定常流动的稳态解。     

叶轮机粘性流矢量方程在曲线坐标系中展开的新方法和数值计算

本文讨论在非正交曲线坐标系中 ,粘性流矢量方程一种新的展开思路。应用这种展开方法可以得到项数减少很多的展开式 ,便于工程计算。文中同时给出了可压缩与不可压缩方程的展开式 ,给出了统一方程表达式。最后对二维不可压叶栅粘性流和三维可压叶栅粘性流进行了数值计算 ,计算表明本文给出的新展开方程是有实用价值的     

包括粘性影响的跨音速纵向大扰动非定常翼型绕流计算

本文提出一种计算效率高、并改进小扰动理论的二维跨音速定常和非定常流的计算方法——非定常纵向大扰动流速势方程和边界条件的数值解。本方法还考虑了包括边界层位移厚度以及激波-边界层干扰的粘性影响。文中给出了NACA 0012翼型和NLR 7301超临界翼型绕流的算例,计算结果与实验作了比较。     

二维结构/非结构混合网格的生成及其流场模拟

采用分区求解方法在二维结构/非结构混合网格中对粘性绕流作了数值模拟。利用层面推进法生成绕物体的O形结构网格,利用推进阵面法在结构网格外生成非结构网格。在结构网格区内,采用B-L湍流模型,求解雷诺平均N-S方程。在非结构网格区内求解Euler方程。两区的解通过在交界面上满足通量守恒条件进行耦合。数值算例表明了方法的有效性和实用性。