叶轮机械三维粘性动静叶干涉的数值模拟

本文发展了 1套模拟叶轮机械三维粘性动静叶干涉的数值方法。在成熟的空间离散方法基础上 ,提出了 1种高效的双时间步隐式时间推进方法 ,并构造了一种保证守恒的动静叶交界面处的数值通量计算方法。本文对某三维亚音速涡轮的动静叶干涉进行了数值模拟 ,结果与实验符合较好。

动静叶干涉中背压扰动叶栅气动力的降阶模型

现有航空发动机气动力降阶模型的研究主要集中在叶片颤振方向,对动静叶干涉引起叶栅气动力变化的问题没有讨论。其中背压扰动是动静叶干涉影响上游叶栅气动力的重要因素。通过对背压扰动的傅里叶分解,分别计算分解背压扰动所得各谐波引起的叶栅气动力响应,由此建立了基于谐波平衡法的背压扰动叶栅气动力降阶模型。在此基础上,研究了各谐波幅值对气动力降阶模型精度的影响。算例的结果表明:提出的方法能非常好地描述动静叶干涉中背压对上游叶栅气动力的影响;根据幅值大小选择主谐波,可以在不大幅降低气动力降阶模型精度的情况下减少待定参数的个数;利用该方法可准确确定任意时刻动静叶干涉中背压扰动叶栅的气动力。

导叶翼型优化对水泵水轮机“S”特性的影响

为了改善水泵水轮机“S”特性,本文以某水泵水轮机模型机为研究对象,采用SST k-ω湍流模型开展水泵水轮机全流道三维数值计算。通过优化活动导叶翼型,得出n 11-Q 11模拟曲线和机组“S”特性改善情况,并对优化活动导叶翼型后的机组的无叶区进行了压力脉动分析。结果表明:优化活动导叶翼型对机组的“S”特性存在一定改善效果;翼型优化后机组的效率虽然有小幅度下降,但是整体效率依然保持在90%以上;无叶区压力脉动主要是由活动导叶区域出流,转轮叶片工作面发生冲击导致的分流以及转轮叶片与活动导叶组成的动静叶栅干涉效应引起的。改型后的活动导叶降低了无叶区的压力脉动幅值,在一定程度上提升了水泵水轮机的安全系数。

非均匀栅距对压气机叶片非定常气动力的影响

研究了轴流压气机叶片采用非均匀栅距对叶片非定常力影响的问题,利用高分辨率格式求解准三维雷诺平均N-S方程。非定常流场计算采用了双时间步法与LU-SGS隐式解法耦合的方法。研究了带进口导叶的单级三排叶栅非定常流动,其中动叶栅距不变,而导叶和静叶采用非均匀栅距。对不同结构的计算分析表明,在导叶和静叶采用一定的非均匀栅距组合型式后,在保证压气机级的性能变化不大的同时,动叶表面所受非定常气动力的状况得到改善,这将有助于提高动叶片的疲劳寿命。

非定常尾迹对旋转叶栅影响的数值研究

采用SST k-ω紊流模型对非定常条件下尾迹对动叶栅的影响进行了数值模拟,给出不同截面涡量随时间发展变化的过程,对各种涡系的流动机理进行了分析。结果表明:动叶前缘区域内,涡旋脱落呈现明显的周期性;动叶尾缘区域内,涡的脱落随时间变化虽然仍有周期性变化的趋势,但已经不再具有严格的周期性。

基于流道优化的局部进气高速涡轮机气动噪声控制实验研究

动静叶干涉是涡轮机气动噪声的主要来源之一。针对局部进气高速涡轮机,为了抑制由动静叶干涉引起的单音辐射噪声,提出了增大喷嘴的几何出气角、喷嘴下俯、喷嘴单侧修型和增大动静叶间距的流道优化设计方法以控制涡轮机内的流动状况进而降低噪声辐射,并设计了涡轮机气动噪声测试实验台,测量并分析了优化措施的降噪效果。结果表明,涡轮机流道优化设计方法有效抑制了单音辐射噪声,使各个转子谐频处的离散噪声均得到降低,并在3125Hz处实现了最高达7d B的降噪量;在大部分的三分之一倍频程内,优化设计的涡轮机噪声幅值低于原始设计的涡轮机,最大降噪量为2.1d B。

局部进气高速涡轮机气动噪声实验研究（英文）

动静叶干涉所产生的单音离散噪声是涡轮机气动噪声的主要来源之一。对于一种局部进气高速涡轮机,为了减弱由动静叶干涉引起的单音噪声,对涡轮机通流结构进行了流道优化设计以控制流道内的流动状况进而降低气动噪声,设计了涡轮机气动噪声实验台,测量并分析了流道优化措施的降噪效果。测量结果表明,所采用的涡轮机流道优化设计方法有效地抑制了单音离散噪声,降噪量最大达到了7 d B;在多数三分之一倍频程内,涡轮机优化设计后的噪声幅值均低于原始的涡轮机,降噪量最大为2.1 d B。

单级跨音速压气机内流场的非定常模拟及损失分析

通过数值求解非定常三维可压缩Reynolds平均Navier-Stokes(RANS)方程,模拟了跨音速压气机级Rotor35/Stator37内的流场。为了分析该压气机级的损失,推导了描述非定常流动损失的参数(不可逆性)及其对应的强度量参数。以此为基础,研究了损失和流动结构之间的关系,得到了不同流动结构在损失产生上的主次关系;并定量给出了主要区域损失的大小。发现在最高效率点附近,边界层产生最大的损失,然后是顶隙泄漏流动、尾迹,以及核心区流动。该文也对该级压气机进行了损失功分析,结果表明吸力面边界层以及顶隙泄漏流动对于损失产生贡献最大。

热斑迁移路径上非定常气膜冷却特性研究

热斑在涡轮级中迁移会引起叶片局部温度过高,影响叶片使用寿命。本文在涡轮进口存在热斑的工况下,对整级涡轮叶栅进行数值模拟,研究热斑迁移路径上的气膜非定常冷却特性。结果表明:气膜孔附近区域流场和温度场的变化与主流周期性相同,动叶前缘经历热斑流场的时间约占整个周期的1/4。叶片前缘冷却射流可以冲散到达叶片前缘的热斑高温流体,热斑核心温度降低。采用压力脉动的气膜冷却的冷却效率低于常规气膜冷却,冷却效率随脉动频率的升高而增大。