流体拓扑优化方法及其在叶轮机械中的应用

相比于结构拓扑优化,流体拓扑优化的发展较为滞后。为了促进流体拓扑优化在叶轮机械领域的应用,根据公开资料中的研究成果,首先介绍了该方法的理论基础,包括优化问题数学模型、流动控制方程及求解方法、灵敏度分析技术、优化不稳定问题的预防措施及几何重构方法。然后总结归纳了流体拓扑优化在叶轮机械气动热力学领域的研究现状,通过对涡轮叶片内部冷却结构、涡轮叶片叶顶结构以及离心压气机弯道设计的描述,指出该方法的技术优势。研究表明,相比于传统形状和尺寸优化方法,拓扑优化具有更高的设计自由度,且突破了结构参数化的限制,有助于挖掘具有优良性能的新型结构。最后,对流体拓扑优化方法在未来叶轮机械设计中的发展进行了展望。     

气-固耦合设计对斜流叶轮性能影响的数值分析

为了获得在设计工况下性能最佳的叶型,提出一种三维单向气-固耦合迭代设计方法。对三维气动设计得到的热态叶型（记为RT)进行单向气-固耦合计算,获得设计点流场特性和热态叶型变形量。采用基于面积平均的三维插值造型方法,分别获得进行机匣处理和不进行机匣处理的冷态叶轮(分别记为RC和RC-tip)。对冷热态叶轮流场的数值分析结果表明:与热态叶轮相比,冷态叶轮在设计转速下堵塞点流量提高1.93%;冷态叶轮的叶片最小负荷下降约30%;在低转速下,冷态叶轮的性能曲线优于热态叶轮;说明通过该设计流程得到的冷态叶轮在叶片负荷和流通能力等方面实现了优化。      

静子尾迹对转子叶片气弹稳定性的影响

基于相位延迟方法,发展了一种可考虑前排静子尾迹对转子叶片气弹稳定性影响的能量法,并利用时间推进法对该方法进行了验证。对比分析了叶片不同模态和叶间相位角下,尾迹对转子叶片气动阻尼的影响。结果表明:尾迹对转子叶片气弹稳定性的影响显著,所发展的方法可准确、高效地对其进行模拟。与一阶扭转模态相比,尾迹对转子叶片一阶弯曲模态的气动阻尼影响更大;在不同叶间相位角下,尾迹使一阶弯曲模态的低气动阻尼进一步降低,使高气动阻尼有所增大,而对于一阶扭转模态,其影响则相反。      

三元流叶轮的电弧铣削与机械铣削组合加工

首先介绍了一种实现电弧与铣削组合的加工方法及装备。其次,为验证电弧加工在航空部件生产方面的能力及其对后续精加工工艺的友好性,利用自研的高速电弧放电与机械铣削组合加工专用机床,以具有复杂曲面特征的三元流叶轮样件为例进行五轴电弧铣削与机械铣削组合加工试验研究。结果表明,合理安排电弧加工工序,可以在实现材料高效去除的同时,取得较优的表面质量,电弧铣削中最大材料去除率达14500mm^3/min,小能量电弧加工完成后的样件表面粗糙度R_a为12.5μm,硬度为69.4HRB,较基体硬度未有明显变化,可以很好地适应切削加工要求。后续机械铣削加工过程中,刀具磨损小、加工状态稳定,最终获得粗糙度R_a1.2μm的加工表面,且由于切削余量小,有效抑制了加工变形,样件加工结果达到设计要求,充分展现了该组合加工工艺应用于具有复杂形貌特征的航空发动机零部件制造方面的可行性。     

叶片数对微型斜流叶轮性能的影响

采用计算流体力学软件NAPA对叶片数不同的跨声微型斜流叶轮流场、性能进行了模拟,研究表明随着叶片数的增加,叶片载荷减小,叶背分离减小,叶片通道内流动改善,但叶片进口低压区域占叶片通道的比例增大,当叶片数增加到一定程度时主叶片不能全程加载.随叶片数的增加叶轮工作特性曲线左移的同时先上移后下移,通过与常规离心压气机最佳叶片数研究结果的对比表明,低雷诺数、微尺度效应及叶片占通道比例大使所研究微型斜流压气机的最佳叶片数略低于已有经验.      

重气体离心压缩机三元叶轮的设计及实验

利用一种基于准三元流动理论S2流面的逆命题方程, 研究了重气体离心压缩机三元叶轮的设计方法及提高性能的措施。对设计的两个三元叶轮模型级进行了实验测量, 获得了优良的性能曲线。还研究了不同工况下叶轮出口动压分布, 分析了各部件的损失特性。      

叶轮机械气动声学频域分析

得到中弧线小弯度薄叶片叶轮机械声场的详细结果。讨论适用于近声场, 叶片的弯、掠等几何特征及运行条件也都在频域解中显式地表示出来。      

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。      

叶轮机械流固耦合有关模型综述

综述了近年来在叶片颤振和噪声方面的理论和试验研究工作，在理论上发展丰富了叶轮机械气动弹性稳定性理论模型和气动声学模型。介绍了研究中发现的几种对叶片颤振有影响的非定常因素和将气动声学模型用于故障诊断与监测及消声的研究工作。     

离心叶轮出口三维流场研究

文发展了一种通过求解不可压缩、定常、时均 N- S方程、连续性方程和 k- ε湍流模型方程分析离心叶轮出口三维流场的方法。该方法的差分计算网格通过代数变换关系生成 ,可方便地应用于离心叶轮设计分析。为检验本文分析方法的有效性 ,对一个三元闭式离心压缩机叶轮出口流场进行了实验测量。计算与实验比较表明 ,本文方法预示出的平均流场与实验数据符合良好