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以某跨声速轴流压气机单转子为研究对象,应用数值模拟技术,采用全通道 计算方案,利用Jameson有限体积中心差分格式并结合Spalart-Allmaras 湍流模型获得进口畸变条件下该轴流压气机转子性能和内部流动细节,详细分析了进气周向 总压畸变对压气机转子内流场流动结构的影响. 并将计算结果与实验结果进行了比较, 结果表明,数值模拟的结果与实验结果符合较好,计算方案切实可行.     

多级轴流压气机叶栅内三维紊流流场的数值模拟

对多级轴流压气机叶栅内三维紊流流场进行数值模拟,采用高精度高分辨率的三阶ENN格式以保证对激波的捕捉和对紊流特征的正确模拟,利用LU-SGS隐式解法提高了计算速度,从而构成了一种既准确又高效的多级跨声速轴流压气机紊流流动数值求解系统。重点研究了动静网格的交接方法及相应的动静交接面处理模型。计算了某带进口导叶的三级轴流压气机,计算结果与实验数据吻合较好。     

用粘性体力方法计算轴流叶轮机械内部流场

阐述了一种用于叶轮机械内部三维粘性流场计算程序。该程序以有限体积显式时间推进方法为基础,用Baldwin-Lomax模型模拟湍流流动,用局部时间步长和多重网格方法提高计算效率。使用上述方法计算了NASA 37^#跨音速压气机转子流场,并与实验结果进行了比较,从而证明文中提出的方法能够快速、准确地模拟轴流叶轮机械内部复杂三维流场,该方法具有较强的工程实用意义。     

一组低转速径流式压气机叶轮三元流动参数分布的计算及与实验数据的对比

本文采用构造叶片面的上下游延伸流面,在接长了的叶轮通道内,用准正交面法计算径流式压气机叶轮三元流场。用于计算S.Mizuki低转速叶轮二个流量系数情况下的流场,对无分离的B型叶轮,计算结果与实验数据符合得相当好;对分离严重的A型叶轮,计算结果亦可对分离区的产生提供合理的解释。本方法可应用于径流式压气机叶轮变工况流场分析。     

压气机近失速点旋涡流场时空演化分析

为了探索轴流压气机内旋涡流场的时空演化特征, 对一台压气机转子的流场进行了时间精确的数值模拟. 通过对转子不同轴向位置的流量分析发现, 在压气机近失速工况附近, 压气机进口流量波动约为最大流量的2%. 对旋涡流场的进一步分析发现, 叶片尾缘附近吸力面的旋涡流场摆动是导致压气机进口流量波动的主要原因.      

基于反馈力浸入边界法模拟复杂动边界流动

浸入边界法是模拟流固耦合的重要数值方法之一。本文采用反馈力浸入边界方法,对旋转圆柱和水轮机活动导叶旋转摆动绕流后的动边界流场进行数值模拟。其中,固体边界采用一系列离散的点近似代替,流体为不可压缩牛顿流体,使用笛卡尔自适应加密网格,利用有限差分法进行求解。固体对流场的作用通过构造适宜的反馈力函数实现。本文首先通过旋转圆柱绕流的计算结果同实验结果进行对比,吻合较好,验证了该计算方法的可靠性。然后针对水电站水力过渡过程中水轮机活动导叶旋转摆动绕流后的动边界流场进行数值模拟,得到导叶动态绕流后的流场分布特性和涡结构的演化特性。     

一种考虑薄壁散射效应的声学计算模型

采用薄壁边界元/FW-H理论混合方法建立了考虑薄壁声学散射效应的数值计算模型.这种声学计算模型可以预测存在薄壁如风扇机匣、蜗壳等条件下的声波的传播及散射问题.计算模型的建立主要包含噪声源的计算和声源的传播两方面:首先建立FW-H的频域方程,并采用计算流体力学方法计算流场,通过流场数据计算气动噪声源;然后采用薄壁面边界元法计算固壁对声波的散射,并计算声波在固壁散射后的声场分布.数值计算结果和实验结果及经典的叶轮机管道风扇噪声理论进行了对比,结果表明,这种计算模型与理论计算结果及实验结果吻合较好,可以准确的预测机匣壁的散射效应对声源传播的影响.     

跨音速压气机级的三维周期性非定常流动计算

对跨音速压气机级动静叶排相干形成的三维非定常流场进行了数值研究，利用时间推进ＬＵ－ＳＧＳ稳式迭代法求解三维非定常欧拉方程，对流项采用高分辨率ＮＮＤ格式离散。对某压气机第一级动静叶排相干非定常流场的计算结果表明，本文方法不仅在收敛速度上明显地优于一般显式方法，而且保持了流场中激波的高分辨率，适于推广到计算量巨大的的多级轴流压气机三维非定常流场的数值分析问题     

低雷诺数下附面层组合抽吸方案对压气机特性影响的研究

为了分析附面层抽吸流动控制对低雷诺数下压气机特性的影响,本文采用数值方法模拟了低雷诺数下附面层组合抽吸方案对NASA Rotor 37跨音速压气机性能和稳定性的影响特点及作用机理。通过在该压气机转子叶片吸力面和机匣上分别设计附面层抽吸槽,探讨了组合抽吸方案对低雷诺数下(H=20km)压气机性能和稳定性的影响。结果表明:采用组合抽吸方案后,压气机峰值效率提高约1.3%;压气机最大增压比提高约2.5%;压气机转子的近失速点流量减小约14.6%。进一步分析作用机理发现,组合抽吸槽有效抑制了附面层径向涡向叶顶的运动和聚集,使叶顶附面层分离区减少约70%从而有效改善了压气机的流场特性。     

运动叶栅通过静止叶栅尾流区的总压变化计算

压气机转子通过静子的尾流区时,往往偏离在理想的位势流下设计出的工况,例叶片上的举力是不稳定的,从而引起气流总压的变化。本文提出了一个简单的方法,以致使设计工作者能去计算这种变化,调整设计参数。本文的结果与已有的结果作了比较,是令人满意的。      

气体动理学方法对斜界面不稳定性实验的数值模拟

介绍了基于BGK模型(Bhatnagar-Gross-Krook)的气体动理学数值方法(Gas Kinetic Scheme,GKS),通过计算多组分激波管问题对以GKS方法实现的MBCD程序进行了验证,表明了在接触间断处产生的震荡非常小,网格收敛性好。在多组分问题求解时各组分满足同温和同速的假设条件下,利用该程序开展了Air/SF6斜界面不稳定性实验的数值模拟,得出了不同时刻SF6的密度分布图,并得到交界面宽度、斜界面左右端相对位置在激波穿过斜界面后的变化情况。通过与实验结果的比较可知,GKS方法和程序在网格数为1024×200和512×100时得到的交界面宽度与实验值的最大误差分别为6.1%和7.3%,可用于对界面不稳定性问题的计算。     

湿空气非平衡凝结对压气机叶栅性能影响的数值研究

跨音速流动条件下湿空气中的水蒸气由于快速膨胀而发生非平衡凝结,凝结潜热与跨音速气流耦合会显著改变流场结构。本文建立了湿空气非平衡凝结流动的数学物理模型,对三种工况下压气机叶栅内湿空气凝结流动进行计算分析。计算结果表明:湿空气压气机叶栅流动中,湿空气中水蒸气有可能发生非平衡凝结从而对叶栅通道内的流动产生强烈影响,改变流场内的激波结构,叶栅内压力系数减小最大幅度由1.38减小到0.76。     

多重网格法求解轴流压气机内部流场

提出了一种能够与显式时间推进法、有限体积差分格式、粘性体积力法有效地配合使用的有效地配合使用的多重网格法来解轴流压气机内部流场。作者对美国NASA37^#跨音速轴流压气机转子内部流场的数值计算表明,多重网格法的计算结果与试验结果吻合, 同时该多重网格法的收敛速度比不用多重网格法加快了1．5倍。     

考虑气动热对粘性系数μt影响的压气机流场计算

根据气动热影响叶片壁面附面层粘性系数tμ的理论,把考虑气动热对粘性系数tμ影响的粘性体积力计算方法运用于压气机叶栅三维粘性流场计算。计算时使用有限体积显式时间推进法解算Navier-Stokes方程,用Baldwin-Lomax模型模拟湍流流动。所得结果比不考虑气动热影响的三维计算结果更接近实验结果,能更真实地反映压气机叶栅流场的流动。     

DIRECT NUMERICAL SIMULATION OF TURBINE CASCADE FLOW WITH HEAT TRANSFER EFFECTS

低雷诺数流动对高空动力装置, 特别是涡轮部件的性能产生重要的影响. 本文采用具有7阶精度的差分格式, 通过直接求解二维瞬态可压缩Navier-Stokes方程组, 对雷诺数为241 800 (基于叶片弦长)时的叶片表面带有热传导效应的平面涡轮叶栅流动进行了二维直接数值模拟, 对低雷诺数平面涡轮叶栅流动的非定常流动现象作了初步的探索.数值结果表明:在叶栅通道入口处, 流场的非定常性很弱;在叶栅尾缘处, 具有正负涡量的尾涡交替地从压力面和吸力面上脱落;周期性的涡脱落使得叶栅通道内和尾迹区的总压发生(准)周期的变化, 并且, 尾迹区总压变化主频率是通道内总压变化主频率的2倍;在时均流场中, 叶片表面压力的分布与实验值吻合良好, 表征热传导效应的斯坦顿数除湍流区外与实验值基本吻合;尾迹区速度脉动的2阶统计量与圆柱绕流尾迹区速度脉动2阶统计量具有基本相似的分布特征.     

带窗口准等熵压缩实验的流场反演技术

在一维拉格朗日平面准等熵压缩流体力学的基础上,建立了带窗口准等熵压缩实验流场反演方法,给出了界面处压力历史的求法,编制了实现流场反演技术的程序,并与一般流体力学计算进行了比较;对Z575号实验给出的界面速度历史进行了反演计算,给出了的Al 6061-T6等熵压缩线。     

透平机械叶尖间隙流场研究的进展

叶尖间隙流动对透平机械性能有很大影响。长期以来,叶尖间隙流动机理一直是透平机械领域研究的一个热点,同时也是一个尚未认识清楚的难点。把叶尖间隙内流动的研究进展分成两个部分:一部分是透平叶栅和透平转子内部叶尖间隙流场的研究进展,另一部分是压气机叶栅和压气机转子内部叶尖间隙流场的研究进展。对目前叶尖间隙研究集中的问题,如泄漏涡系结构,泄漏流动模型,泄漏涡旋涡强度的变化,泄漏涡和激波的相互作用等进行了简要的总结。文中还对透平机械叶尖间隙泄漏流动常用的数值计算方法进行了总结。认为今后应进一步对以下问题进行研究,其中包括研究高速透平机械叶尖泄漏涡旋涡强度变化问题,径流式叶轮机械叶尖间隙泄漏流动过程及泄漏涡发生发展规律问题,泄漏涡与激波相互作用产生阻塞区域的大小问题。      

贯流风机流场的实验和数值研究

贯流风机流场的分析研究是对其进行结构调整、性能优化的前提。本文运用烟迹和闪光照相的方法对贯流风机的内部流动进行了流场显示研究，得到了瞬态流场照片，并通过多点总压和静压测量得到了速度分布。本文还对贯流风机的流场进行了数值模拟。结果表明：数值计算与实验结果符合得较好，这两者的结合是研究贯流风机流动和改进其性能的有效手段。本文最后就贯流风机的噪声进行了初步研究，得出了一些有价值的结果。     

变几何叶片对压气机特性影响的实验研究及分析

利用带导叶的单级轴流压气机实验台，详细测量了进口导叶无预旋、全叶高预旋2度和叶顶端部预旋2度对压气机总性能、基元性能及失速边界的影响。在设计及非设计转速下，通过对比三种导叶几何条件下的性能曲线，探讨了导叶预旋在非设计转速下的扩稳效果及设计转速下对 气机性能的影响，分析了利用端弯技术扩大压气机稳定工作范围的机理，该研究进一步说明了端弯技术是推迟轴流压气机不稳定流动发生的有效手段之一，可以很方便的用于实际轴流压气机中。     

柴油机废气涡轮增压器压气机的气动噪声源特性研究

基于雷诺时均方程(RANS)及双方程湍流模型,建立了船用大功率增压器压气机的内部流场计算模型;计算了压气机叶轮流道内的流速分布和湍流流场,得到叶片顶部出口附近的流速分布在1.02马赫和1.1马赫之间;采用基于声比拟的数值积分方法(FW-H方程),得到了压气机叶轮的气动噪声源,并比较了主叶片和分流叶片顶部出口位置的气动噪声频谱特征,发现两者的噪声级及叶频分布存在差异。计算表明:压气机在轴频及其谐波频率处的噪声远小于叶频噪声,主流叶片及分流叶片紊流的噪声成因不同;压气机内部流噪声源的大小主要取决于气流速度;压气机转速由8000r/min增加至16000r/min、由16000r/min增加至22000r/min,流噪声的幅值约增加12dB。