基于DMD方法的无叶扩压器流动稳定性分析

针对无叶扩压器的失稳现象,采用计算流体动力学(CFD)方法对二维无叶扩压器在不同入口流动角下收敛和发散过程中的非定常流场进行动力模态分解(DMD),并对非定常计算过程中稳定和不稳定工况的变化流场进行了分析。结果表明:通过DMD方法获得的模态特征与二维无黏线性化稳定性分析得到的结果基本一致,在不稳定工况下具有相同的周向模态数以及相近的失速团相对叶轮转速。     

二维无叶扩压器旋转失速的正交模态分析

为了直观地揭示扩压器内部非稳定流动的周向传播和发展过程,采用本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition,POD)对数值模拟得到的非稳定流场进行分解,辨识出不同阶的扰动模态,对成对和孤立模态在空间分布和时间变化上进行了分析,成对模态在周向空间分布上存在相位差,在时间变化上具有相近的振动幅度和周期,在时域上表现出周向传播的特性。孤立模态为"过渡态",代表对平均流动的修正,表示平均流动从一个状态过渡到另一个状态。重构了各阶模态在不同时刻的幅值信息,并对各阶模态幅值变化进行了傅里叶变换,得到对应的频率信息,并与线性稳定性方法预测结果进行了对比。     

无叶扩压器中非定常流动的DMD模态分析

采用动力模态分解(DMD)对离心压气机无叶扩压器内的复杂流场进行分析,选取1.8kg/s设计工况和1.4kg/s非稳定工况下的非定常数值计算结果为基础数据,得到这2种工况下10%叶高平面上切向速度、径向速度的模态云图以及特征频率,评估了DMD方法分析离心压气机非定常流动特征的能力.对不同特征频率下的流场进行重构,直观深入地再现了无叶扩压器内部非定常流动的变化过程.结果表明:在小质量流量下,叶片扫描频率的影响效果虽然仍占据主导,但受到抑制;捕捉到失稳频率约为193Hz,失稳模态在扩压器内沿周向占据3个固定的位置交替波动,不稳定波动沿扩压器周向并不存在旋转.     

跨声速压气机转子非定常流场的DMD模态分析

采用动力模态分解(DMD)方法对跨声速轴流式压气机转子叶尖区域的复杂流场进行分析。通过DMD分解技术捕获转子叶尖流场的动力学信息和对应的流动结构,选取小质量流量工况下的非定常计算结果为基础数据,得到该工况下99%叶高平面上流线方向速度、径向速度的DMD模态云图以及特征频率,评估了DMD方法分析跨声速压气机叶尖非定常流动特征的能力。结果表明:DMD方法能捕捉到转子叶尖非定常流场的特征频率,第二阶DMD模态的频率与转子叶尖区域小质量流量工况下的振荡频率相等,其他较高的几阶模态频率正好是振荡频率的倍频;提取的前四阶DMD模态中,第一阶模态与均匀流场较为相似;流场振荡主要由低阶模态引起,高阶模态只是流场信息的补充;在一个波动周期内,叶尖区域流场存在正负速度的交替变化过程。     

小流量下离心压气机无叶扩压器数值模拟及流动分析

无叶扩压器是离心压气机重要部件,也是涡轮增压器上应用最多的扩压器类型,详细研究其内部流场,掌握流动损失产生的机理,对于提升扩压器性能及抑制其失速的发生具有重要意义。本研究利用商用CFD软件NUMECA对离心压气机无叶扩压器进行了数值模拟,并对无叶扩压器收缩段和平行段内的流动分别进行分析,探讨了它们各自流动的特点,为进一步深入研究无叶扩压器流动,提升其性能奠定基础。     

基于动态模式分解的离心压缩机动态流场分析

动静流道相互作用引起的非定常流动是离心式压缩机内流的主要特征,借助模态分解方法可以有效提取出该流场中相干结构,进而可以说明该动静干涉流场的主要特征。本文将动态模式分解(Dynamic Mode Decomposition,DMD)方法应用于带无叶扩压器通道的离心式压缩机流场分析中,通过对动静干涉速度场和压力场的模态提取和分析,直观揭示出动静流道中的流体运动特征。在设计流量工况下,叶轮出口叶顶间隙的流体流动和动静流道干涉效应影响了叶轮出口的速度参数和压力参数的分布。在叶轮和扩压器流道中分别出现了频率1 715和725Hz的湍流相干结构,两频率和叶轮通过频率有关。动静干涉流道中压力沿叶高方向动态规律相似,而速度场沿叶高方向波动规律存在一定的差异。该特征可以为压缩机流场测试提供参考。     

基于动力学模态分解法的轴流压气机叶顶非定常流动分析

对跨声速轴流压气机转子进行非定常数值模拟,采用动力学模态分解法对叶顶区域的非定常流动进行模态分析,进一步认识叶顶区域流场的非定常流动机理。研究发现:动力学模态分解法捕捉到叶顶区域非定常流场的特征频率6.83kHz,对应模态是形成叶顶区域流场非定常波动的主要模态。各阶模态中低阶模态结构主要集中在叶片前缘,表征大尺度的压力波动;高阶模态结构为集中在叶片压力面的正负交替结构,表征小尺度高频的压力脉动,是对流场信息的细化补充。采用前5阶动力学模态重构的流场能够包含叶顶区域非定常流场的主要流动信息与结构,可以实现对流场的降维处理。通过第1阶动力学模态重构的流场发现在近失速工况下叶顶区域的非稳定流动激发了压气机进口处周向传播的谐波扰动,谐波扰动与叶片振动的相互作用和反馈,强化了叶顶区域的非稳定流动,是产生流动不稳定性的原因之一。     

带无叶扩压器离心压气机的稳定性分析

结合实验数据,采用数值模拟方法对某带无叶扩压器离心压气机的性能与稳定性进行了详细分析,比较了设计点与近失速点下无叶扩压器内部的流动特征．结果表明：在发生喘振瞬间,扩压器进口最先出现了压力崩溃;扩压器进口流动特别是轮盖侧流动是导致压气机失稳的重要因素,对扩压器进口逆叶轮旋转方向的轮盖侧啧蒸汽能够提高扩压器的稳定性．     

跨声速压气机转子叶顶区域流场非定常计算和POD分析

采用时间精确求解法对跨声速轴流式压气机转子NASA Rotor35单流道进行了三维非定常数值模拟,研究了叶顶区域流场的时间非定常波动特性。将叶顶区域流场的非定常解作为快照,采用本征正交分解(POD)方法提取POD模态,进一步分析了叶顶近失速点流场的流动特性。结果表明:在近峰值效率点的大质量流量工况下,叶顶区域流场呈现出稳定性,基本不发生随时间波动的特性;在近失速点的小质量流量工况下,叶顶区域流场呈现周期性的波动特性,由激波与叶顶间隙泄漏涡形成的破碎、通道中部未形成泄漏涡的相邻叶片泄漏流流线以及来流一起形成的叶顶二次涡是叶顶非定常周期性波动形成的必要条件。     

EEMD-NNBR模型在降水预测中的应用

为解决降水资源预测复杂的问题,建立了具有物理意义的新预测模型,即利用集合经验模态分解(EEMD)方法,分解降水资源并识别其演变模式,获得各本征模函数(IMF),然后结合最近邻抽样回归模型(NNBR)对数据进行预测分析,汇总相应的计算结果,从而构成了EEMD-NNBR降水预测模型。以无锡市惠山区的降水序列资料为例,采用EEMD-NNBR模型预测降水资源,并与单一的NNBR模型预测值进行对比分析。结果表明,所建模型稳定性较好,能合理预测水资源演变趋势,提高降水资源预测精度,具有一定的应用价值。     

基于谐波平衡法的自带冠成组叶片接触碰撞系统稳态解

针对自带冠叶片组成的成组叶片,采用Hertz接触理论和悬臂梁连续模型建立了成组叶片接触碰撞状态下的非线性动力学模型,并考虑了气流激振力和叶片的惯性力对成组叶片振动的影响。利用Galerkin模态截断方法对该系统进行降维处理,用谐波平衡法计算了当各叶片取第1阶模态后降维系统的解析解。     

来流马赫数对叶栅吸力面可压边界层稳定性影响研究

针对叶栅高速流动稳定性预测及转捩问题，采用理论分析与实验测量相接合的方法。首先推导出正交曲线坐标系下三维扰动波的抛物化稳定性方程（PSE），在风洞实验中，采用叶栅表面压力测孔测量了设计叶栅表面静压分布。根据表面静压分布测量值，通过求解Falkner—Skan方程以获得不同来流马赫数下边界层内速度、压力、密度等参数的分布。将以上结果作为边界层平均流动值，结合数值离散化的正交曲线坐标系非线性抛物化稳定性方程（PSE）对流动的稳定性进行特征值分析。数值离散采用六阶精度差分格式，采用大步长隐格式法求解方程以保证求解的稳定性。计算结果表明本文所选用的实验叶栅由于加工量较小并采用后部加载叶型设计，边界层流动相对稳定。来流马赫数增加对边界层稳定性有微弱影响，会导致流动趋于不稳定。     

汽轮机自带冠叶片接触碰撞系统的谐波平衡解

针对汽轮机自带冠叶片的接触减振机理问题,考虑惯性力和气流激振力对叶片振动的影响,采用Hertz接触力模型和悬臂梁振动理论建立了自带冠叶片接触碰撞的动力学模型.利用Galerkin模态截断方法,截取系统第一阶模态,实现对悬臂梁系统的降维处理.对降维后的系统,采用谐波平衡法分别获得了系统在有阻尼和无阻尼情况下的解析解.所得结果为自带冠叶片接触碰撞问题的进一步研究提供了理论依据.     

叶片尾缘劈缝射流尾迹相干结构数值研究

为揭示射流速比对尾迹流场及相干结构的影响规律,以叶片尾缘劈缝射流尾迹为研究对象,在非定常数值模拟结果基础上,采用快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)和本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition,POD)得到不同射流速比时尾迹脉动速度的频谱特性和POD模态及模态系数的频谱特性,研究表明:采用SAS(Scale Adaptive Simulation)湍流模型得到的计算结果与PIV实验结果吻合较好;不同射流速比时,尾迹中大尺度相干结构特性发生变化,导致回流区形态和空间尺度发生改变;上、下板尾缘脱落涡的主导结构均为卡门涡,但是不同射流速比时其脱落频率发生较大改变;射流速比的变化导致上、下板某一侧的旋涡强度增强,向下游输运距离更远,上、下板尾缘卡门涡的强度及空间尺度呈不对称性。     

高压比离心压气机气动设计与分析

设计了单级总压比9.5、流量1.95 kg/s的离心压气机,该压气机分为叶轮、径向扩压器和轴向扩压器三个部分。叶轮初步设计采用自编程的方法,叶型使用了双分流叶片,通过软件Numeca对叶轮进行了数值模拟,分析了入口激波和出口射流尾迹等流动结构;从性能和流场细节两方面比较了三种形式的径向扩压器。结果发现,扩压器入口收缩可以抑制回流,楔形扩压器的扩压性能明显优于无叶扩压器。     

翼型处于不同程度的动态失速时流场的DMD分析

本研究先对风力机S809翼型处于3种不同程度动态失速下的非定常流场进行CFD(计算流体动力学)数值模拟,得到了翼型在振荡周期内升阻力系数随攻角的变化曲线,然后采用DMD(动力模态分解)方法对非定常流场进行模态分析,从中得到了非定常流场变化过程的主要模态和相应的频率以及能量等信息。通过对前6阶主要模态所包含的流场信息进行对比分析,DMD方法成功捕捉到了复杂流场中不同尺度的流动结构,直观地显示了不同程度动态失速非定常流场之间的差别。     

离心压气机优化设计与流场仿真分析

采用正问题设计方法设计了一个压比为4.2的离心压气机模型。根据压缩系统边界条件约束,首先进行了一维计算,获取叶轮的轮廓图,然后采用参数化建模方法建立了含分流叶片的三维模型,运用CFX软件对不同叶片稠度下的叶轮气动热力学进行了对比数值计算,分析叶轮内部流场及其性能,最终选定9叶片的叶轮为最佳方案。在扩压器的设计方面,提出了一种叶片高度逐渐增加的有叶扩压器模型,并使用CFX对设计的扩压器模型与普通的扩压器进行了数值计算,定量分析其扩压机理及其总压损失特性,计算结果表明所设计的扩压器扩压效果明显优于普通的扩压器。所得结果可为离心式压气机的气动设计提供理论参考。     

可变滚流对缸内流动循环变动影响的试验研究

利用PIV技术在一台基于直喷汽油机(gasoline direct injection,GDI)改造的光学发动机上测量了缸内滚流运动,通过进气道入口处翻板和进气道内挡板改变缸内滚流比,并利用本征正交分解(POD)方法将流场分解为平均流场、拟序流场、过渡流场和湍流流场,分析滚流运动对气流循环变动的影响。试验结果表明:翻板和挡板的组合能有效改变流场结构,使GDI汽油机缸内形成大尺度的单一滚流,滚流比提高近三倍。通过本征正交分解分析发现,拟序流场中拟序结构涡团的变动是缸内气流循环变动的主要来源。大尺度强滚流使平均流场占能比例大幅提升达30%,减少了能量向拟序流场的传递,使拟序流场循环变动降低近50%,从而抑制了缸内气流运动整体的循环变动。     

不同参数对翼型动态失速流场影响的DMD分析

基于对CFD计算结果的动力模态分解(dynamic mode decomposition,DMD)方法来分析平均攻角、振荡幅度和折合频率对翼型动态失速流场的影响。首先对风力机S809翼型的多个动态失速非定常流场进行CFD数值模拟,得到翼型在振荡周期内升阻力系数随攻角的变化曲线,然后采用动力模态分解方法对非定常流场进行模态分析,从中得到非定常流场变化过程的主要模态和相应的频率以及能量等信息。通过对前8阶主要模态所包含的流场信息进行对比分析,DMD速非定常流场之间的差别。     

无叶扩压器内的射流-尾迹型扰动分析

假设扩压器内部流动为不可压缩的二维流动,采用小扰动方法建立了无叶扩压器的状态矩阵模型,并利用文献中数据对扩压器进口的射流一尾迹型扰动进行了分析.结果表明:径向速度扰动衰减比切向速度快;径向速度扰动衰减的快慢主要受进口流量的影响,进口相对流动角对其影响不大;叶轮叶片数对扰动衰减也有一定影响,叶片数越多,沿径向的速度扰动和角动量衰减就越快;叶轮和有叶扩压器之间的无叶空间可能是引起压缩机失稳的关键因素.模型分析和已有文献十分吻合,验证了模型的正确性.