提高叶栅叶片升阻比新措施的实验与数值研究

提高叶轮机械叶片的升阻比,是改进叶轮机械气动性能的重要途径。该文给出了一种提高叶栅叶片的升阻比新措施,即采用加大叶片局部粗糙度来提高叶片的升阻比。实验研究证实这种方法确实有效。用数值计算方法求解了Ｎ－Ｓ方程,用改变局部湍流粘性μτ去模拟贴粗糙片所引起的μτ的变化。结果表明：对这种叶栅叶片表面贴粗糙带的方法能够达到提高２％升阻比的效果。     

叶栅气动反问题的伴随优化解法及应用

伴随方法是目前流体机械优化设计领域的研究热点,具有计算量与设计变量数目基本无关的优点。鉴于以往相关研究尚未将伴随方法用于有分离流动条件下的叶栅气动反问题设计,建立了一套集叶片几何参数化、网格生成、流场求解、伴随场求解与优化求解于一体的叶栅气动反问题的优化求解方法,从减弱流动分离的角度出发,通过给定更合适的叶片表面压力分布,完成了叶栅反问题求解。研究表明,所得叶片吸力面型线更为平缓,在所研究的2种攻角下的尾缘附近流动分离较优化前得到了有效缓解。该研究有利于发展高效、宽工况叶栅设计技术,并可为复杂流体机械部件的先进设计奠定理论基础。     

动静叶相互干涉的三维非定常流场数值模拟

将双时间步法应用于叶栅级的全三维黏性非定常数值求解,讨论了分区算法中内边界条件的给定问题,本算法可保证分区边界上具有与内点相同的精度,具有很好的数值稳定性,且通量基本守恒,将该方法应用于具有弯曲导叶的涡轮级的计算可得到典型的非定常流谱,揭示了动静叶之间的相互干涉对叶片气动性能的影响,数值计算结果表明本文给出的算法是合理有效的。     

任意旋成面叶栅C类气动杂交命题周角函数型变分有限元解

本文给出了任意旋成面叶栅C类气动杂交命题的周角函数型变分有限元解法。研制了相应的程序,成功地计算了轴流式与离心式叶栅的算例。对于给定的叶片设计厚度分布和吸力面上的设计压力(或速度)分布,应用本文的计算方法可直接解出满足设计要求的叶型型线以及流动特性参数分布。     

分流叶片位置对平面叶栅流动分离的影响

为更好地控制叶栅流动分离,提出一种在叶栅内部设置分流叶片的流动控制方法.采用数值模拟方法对比在不同攻角下有无分流叶片对叶栅性能及流动损失的影响,结果表明:分流叶片在大攻角条件下,更能提高叶栅的气动性能;选取攻角为11.7°,设计具有不同位置分流叶片的平面叶栅,对比分析发现分流叶片能够提高叶栅的做功能力.分流叶片轴向位置与周向位置存在最优组合,当分流叶片在周向与大叶片吸力面距离为28％弦长时,叶栅气动性能最佳,距离增大或减小均会恶化叶栅性能;轴向位置上,当分流叶片位于大叶片前缘处时,能够抑制尾缘边界层分离,减少流动损失.     

多分流叶栅S_1旋成流面上的气动正命题有限元新解法及试验研究

分流叶栅或串列叶栅的流场计算和试验研究是透平机械S_1流面问題中的一个重要课题。但求解分流叶栅或串列叶栅的气动正命题是比较困难的,主要在于确定准确的出气角和绕分流叶片的环量值或者分流比。本文在用有限元素法求解多分流叶栅或串列叶栅S_1任意旋成流面上的气动正命题时,把绕叶片的环量位作为无节点的自变量进行直接求解,而不是把它作为一个强加边界条件来处理,从而避免了以前为使叶片尾缘满足广义库塔条件所需的迭代过程。计算与实验结果吻合良好。本文还用自编的程序对多分流叶柵进行了多方案的计算,提出了一种气动性能较好的汽轮机高压隔板多分流叶栅设计,并对这种多分流叶栅和带不同加强筋的叶栅进行了静吹风试验,试验结果表明,这种多分流叶栅比原来带加强筋叶栅的流动损失明显下降。     

汽轮机分流叶栅粘性损失的计算方法及试验

为解决多分流叶栅的粘性损失问题,研究了多分流叶栅叶片表面边界层发展情况,分析了分流叶片对主流叶片上边界层发展和分离的影响以及对整个流场的影响,在此基础上,建立了分流叶栅的损失模型和损失系数计算公式,并计算了３种类型的损失系数。通过对３种叶栅吹风试验表明,所建立的粘性损失模型和失系数计算公式与实际情况相符,提供了多分流叶栅通用的损失模型和损失系数的计算方法及程序,使叶栅设计更接近实际。     

压气机叶栅间隙流动的数值研究

通过加装叶顶小翼来控制叶栅间隙的气体流动已受到广泛关注。本文采用计算流体力学方法,对叶顶间隙流动进行数值模拟。结果表明,加装吸力面小翼可以延缓间隙泄漏涡的形成,降低泄漏涡的强度。在不同的叶顶间隙下,吸力面小翼的加装都能相应地降低泄漏涡的强度。在降低叶顶泄漏涡与主流混合损失的同时,提高了叶栅的气动性能。     

轴流式叶栅内部流动变工况性能的计算分析

应用有限元方法求解不可压黏性流动Ｎ－Ｓ耦合方程,对ＮＡＣＡ叶型的叶栅在不同冲角的条件下,叶栅内部的流动作了较为完整的计算分析。结果包括叶片表面的压力分布、叶片表面法向的速度分布以及表面摩擦系数。在计算中,采用了Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ湍流模型和壁面函数以提高计算的速度。结果表明：冲角不仅对叶片表面的压力分布,而且对叶片附近的流动状态,特别是在叶栅流道的后半部,有很大的影响。     

基于小波理论的平面叶栅优化设计

应用最优控制理论和Ｌａｇｒａｎｇｅ插值建立了任意回转面三元叶片的平面叶栅优化设计的数学模型。用小波理论求解此模型得到一批数值结果。结果分析表明小波方法较传统方法更加有效。     

高升力低压涡轮叶栅分离诱导转捩数值模拟研究

准确地预测叶片吸力面层流分离诱导转捩过程是高升力、低压涡轮气动设计的关键。应用RANS方法的γ槇-Reθt转捩模型和LES方法的WALE亚格子模型对T106C高升力低压涡轮叶栅进行计算分析;比较了两种方法在不同雷诺数工况下对分离流转捩的模拟精度。结果显示,在高雷诺数工况时,γ槇-Reθt转捩模型预测结果与试验值较为一致,而在低雷诺数工况时严重低估了分离泡尺寸,与试验结果差距较大;WALE模型在高、低两种雷诺数工况下,其时均结果与试验值均吻合较好。     

跨音速涡轮平面叶栅气动性能试验研究

为研究某型涡轮叶片根部截面的平面叶栅在不同攻角和不同马赫数下的气动性能,采用风洞吹风试验对叶栅总损失特性、出口能量损失分布、叶片表面和壁面压力与马赫数分布等气动参数变化情况进行分析.结果表明,叶栅所采用的叶型具有较为明显的后部加载特性,叶栅能量损失在较宽攻角范围内保持较低水平,且随着出口等熵马赫数的变化呈现先减小后增大的变化规律.     

叶栅叶型正反设计的伴随优化方法

针对基于流场Navier-Stokes方程求解的叶栅叶型正反问题设计优化中,计算量随设计变量数目急剧增加的问题,采用伴随方法建立了集叶片几何参数化、网格生成、流场求解、伴随场求解与优化求解于一体的优化求解方法。针对反问题设计中目标控制参数分布难以给定的问题,通过分析叶栅叶型正问题优化求解结果,给出了反问题优化求解所需的较优目标压力分布。利用自主程序完成了以减弱或消除流动分离、提高叶栅气动性能为目的的叶栅叶型正、反问题自动优化求解,优化后的叶型叶栅总压损失系数分别降低了5.69%、4.50%。研究表明,叶栅叶型吸力面曲率的减小、叶片前加载和中后部逆压梯度的减小,可有效抑制叶片尾缘附近的流动分离。该研究工作对发展高效宽工况叶栅叶型设计技术具有一定的参考价值。     

基于BEM的风力机叶片形变及气动性能

为研究叶片形变对风力机气动性能的影响,提出基于叶素动量理论的叶片形变及气动性能研究方法,建立叶片在弹性形变下的形变量计算和气动载荷修正模型,通过改进的叶素动量理论与计算结构力学耦合迭代进行求解,并计算1 500 kW风力机叶片不同风速下的弹性形变量及对气动性能的影响。研究结果表明:所提算法可快速计算叶片弹性形变,用于叶片气动外形与结构设计的修正;可计算叶片等效攻角差值及其补偿角,用于优化风力发电机组变桨控制算法。     

平面跨音速叶栅的优化设计

根据最优化理论建立了平面跨音速叶栅优化计算的数学模型，以跨音叶栅气动正问题的求解为基础，以叶栅损失系数ξ为目标函数，并考虑适当的约束条件，应用最优化方法，通过反复搜索，自动给出在一定条件下性能最佳的叶栅。从两种叶栅的优化设计的结果表明：优化后叶栅流场的特性得到了明显地改善，损失下降，将优化计算在叶轮机械设计领域内的应用向前推进了一步。     

振荡叶栅非定常流动的相互作用对叶片颤振的影响

考虑转轮叶片排的叶片之间非定常流动相互作用对叶片颤振性能的影响，解除了颤振预测中叶片排所有叶片均须以相同振幅振动的限制，发展了一种可以考虑叶片振幅和叶片间相角变化的叶片颤振预测方法，研究了振荡叶栅非定常流动相互作用对叶片颤振的影响。结果表明：振荡叶片与不振荡叶片之间的相互影响随振荡条件的不同而不同，振动叶片产生的非定常流动主要对相邻叶片产生较大的影响。叶片的颤振性能与叶片之间的相对振动条件有关，和实验结果一致。     

基于预条件技术的风力机叶片计算方法研究

风力机叶片气动性能对风电机组功率输出具有重要意义和价值,正确的评估叶片性能有利于风力机选型设计工作。为此研究一种基于预条件技术的CFD计算方法用以风力机叶片气动性能评估。研究内容包括预条件处理、S-A一方程湍流模型等内容。利用C++语言开发气动计算程序,采用所开发的程序对某型风力机叶片算例进行气动模拟,获取流场及叶片表面压力系数分布。计算结果与实验吻合良好,所开发的程序可用于工程风力机叶片气动分析,有利于风力机设计工作开展。     

串列叶栅的轴流式冷却风扇流场计算

目的 为满足装甲车辆对风扇的风压和流量的要求,提出一种新的风扇型式,以使冷却风扇在限定的尺寸下,不但风量大,而且风压高。方法 利用欧拉方程对串列叶栅式冷却风扇的流场做了计算。为了得到比较精确的边界值,计算中构筑了贴体计算网格。结果 串列叶栅的风扇叶背流动分离较小,叶片的弯曲度较大,且由于叶栅马赫数曲线分布较饱满,使懈扇静压的较大提高。结论 理论研究为后续的实验研究提供了技术基础。     

端壁边层界抽吸对透平静叶栅二次流影响的数值研究

湿蒸气透平静叶栅的端壁抽吸槽常用来抽除沉积水膜以防止动叶片水蚀，但它也有可能同时用来抽除端壁上边界层以抑制二次流的发展，作者采用有限体积差分法求解了三维稳态时均Ｎ－Ｓ方程组，分析了在叶栅前缘附近进行端壁边界层抽吸对透平静叶栅二次流流场，气流传偏转角及总压损失系数等气动特性参数的影响。计算结果表明，在前缘附近抽吸端壁边界层可以抑制马蹄涡的发展，减弱通道涡的强度，从而减小二次流损失并提高出口气流的均匀     

风力机叶片气动噪声时域分析方法研究

风力机叶片气动噪声影响周边居民生活的问题开始引起研究人员的关注。现有研究大多基于CFD软件或实验数据拟合方法对其气动噪声进行分析,难以适应气动噪声随风速变化的动态分析需求。考虑风力机运行状态、来流风速以及接收点位置的影响,基于传统气动声学理论,建立了风力机叶片气动噪声计算的修正模型,并基于Matlab软件的Simulink模块,运用时域分析方法,对一种2 MW风力机叶片的气动噪声进行了编程计算,并绘制了风力机叶片气动噪声的声压时间序列图,为开发低噪声风力机叶片提供了理论依据。