周向平均形式的S_2流面计算

本文按照周向平均的方法,应用古川、井上给出的周向平均形式的平衡条件式,对翼形斜流叶轮考虑非轴对称时的S_2流面进行了计算,并将它与轴对称时的计算结果作了比较。

基于周向平均Navier-Stokes方程涡轮通流计算与分析

基于时间推进有限体积法求解周向平均Navier-Stokes通流控制方程,开发涡轮通流计算程序。结合对涡轮内部流动规律的深刻认识,加入B-L端壁紊流模型和涡轮落后角模型,对GE-E3双级高压涡轮和GE-E3五级低压涡轮进行通流性能预测分析,验证了本通流程序的可靠性;并将通流程序应用于某航改地面燃机一体化设计涡轮系统性能预测和分析,对于研究涡轮部件之间性能匹配和气动布局具有工程应用价值。

航空发动机整机周向平均稳态仿真方法

自主发展了基于周向平均方法的航空发动机整机准三维数值仿真方法。基于Navier-Stokes方程,推导了周向平均的准三维通流模型控制方程,针对方程源项传统模型的不足,提出了考虑叶型影响的无黏叶片力模型、基于机器学习的压气机展向分布损失模型和基于理论分析的周向不均匀性模型等,并完成了燃烧室的准三维建模,最终实现了航空发动机整机准三维稳态仿真。利用本文发展的整机周向平均稳态准三维仿真程序CAM完成了WP11涡喷发动机整机仿真,并与俄罗斯S2程序AES-S2的仿真结果进行了对比分析。结果表明,相比于俄罗斯S2程序AES-S2,所发展的周向平均准三维仿真程序CAM仿真精度更高,在WP11整机准三维仿真的设计点计算结果对比中,CAM计算的涡轮流量的误差比AES-S2的计算误差小8%以上,发动机推力误差小16%以上;收敛性更好,CAM计算的涡轮流量的振幅比AES-S2的计算结果的振幅小10%以上,CAM计算的发动机推力的振幅比AES-S2的计算结果的振幅小20%以上。

周向平均方法在某风扇/增压级分析中的应用

通过对三维(3D)Navier-Stokes方程进行周向平均,得到了通流模型的控制方程,对其采用时间推进有限体积方法进行数值求解。为实现风扇/增压级在设计初期的快速性能评估,考察了周向平均方法在风扇/增压级分析中的准确性。分别利用NUMECA三维数值模拟软件和周向平均通流模型(CAM)对某高通流风扇/增压级进行了性能分析,从对比结果来看,周向平均通流模型在近设计点给出了与三维数值模拟十分接近的特性参数,最大误差不超过2.0%。在风扇转子中,由于周向平均通流模型能捕获通道激波,其物理本质与三维平均结果有所区别,因此径向参数分布与三维有所差异。而在亚声速流动下的增压级及外涵道各叶片排出口参数的径向分布与三维数值模拟结果都能很好地吻合。

航空发动机内流场数据平均方法研究综述

回顾了在航空发动机测试结果处理和数值仿真边界条件构建过程中发展而来的多种数据平均技术。归纳静压、总压、总温基于面积、体积流量、质量流量和熵通量等权重的加权平均法;介绍在假想混合面上与非均匀物理场满足相同物理特性的等效平均法及其扩展方法。梳理基于质量、动量、能量和熵等通量守恒规则发展出来的转静子交界面处的周向平均法;比较了不同加权平均方法之间各种等效平均方法之间的差别。最后总结各类平均方法的优势和缺陷,给出针对性应用场合中数据平均方法的选择建议。

掠叶片进口流场中周向不均匀性的影响

为模化并分析迎角改变时掠叶栅流场中周向不均匀性的影响,将1种应力输运模型整合到通流模型中,并应用于某掠叶栅的计算。通过给定掠叶栅不同来流迎角开展3D数值模拟和通流计算,结果表明:主要由无黏叶片力所诱发的周向不均匀性会重新组织叶片通道的进口流场,改变进口气流角,从而引发掠叶栅进口径向平衡的重新分布,随着迎角的提高,这种周向不均匀性将加强,其对进口流动的影响也会进一步增大。加入该应力输运模型后,通流模型能够很好地预测周向脉动源项,在前缘前其计算值与3D计算结果的偏差在20%以内,对叶片通道进口气流角改变量的预测精度提高了25%以上,对进口流动径向平衡的描述精度提高了60%以上。

涡扇发动机低压部件通流耦合计算

为了研究各部件匹配与过渡段几何参数对发动机总体性能的影响,针对某涡扇发动机风扇、低压涡轮、内外涵道、掺混段和尾喷管等部件,基于周向平均Navier-St okes通流控制方程,采用时间推进有限体积法进行了部件耦合计算求解,将沿程各部件性能计算参数与试验做了对比,结果表明:在设计状态下发动机沿程各截面计算特征参数与试验值最大误差不超过5.0%,说明该通流耦合计算方法能够快速预估发动机总体性能,完善各部件匹配关系,在发动机总体设计初期有一定工程应用价值。

不确定转子耦合系统的经验参数研究

提出用非线性动力学行为进行不确定转子-轴承-密封耦合系统经验参数的研究,结果旨在为选择重要经验参数和实际控制转子的稳定运行提供依据。基于Muszynska模型和Capone圆轴承非线性油膜力模型,推导建立密封流体激振力和油膜力共同作用下的参数不确定转子-密封-轴承系统非线性动力学方程,通过数值分析,研究了该系统在平均周向速比常数影响下的分岔特性以及影响规律,并分析了几个特定参数下系统随转速变化的分岔特性和非线性动力学行为。分析结果发现,平均周向速比常数对系统的非线性动力学行为影响很大,随着平均周向速比常数的增大,系统提前出现倍周期分叉,并且振幅增大,使得不稳定性增加。基于上述分析,给出了合理的平均周向速比常数取值范围。

两种紊流模型在通流计算中的应用研究

为验证紊流模型在基于周向平均Navier-Stokes方程的通流计算中的适用性,给出了周向平均形式的Spalart-Allmaras紊流模型,并选择Baldwin-Lomax模型作为对比。通过两个经典简单算例以及两个典型叶轮机械算例对采用了上述两种紊流模型的通流模型进行验证与对比。两个经典简单算例结果表明,上述两种紊流模型在无叶片的通流模型中均能够准确预测附面层发展,捕获激波,预测分离流动。两个典型叶轮机械算例结果表明,两种紊流模型对轴流式叶轮机械的子午流面气动布局以及总体气动性能具备一定的预测能力。在单转子算例中,S-A模型的计算结果略优于B-L模型的计算结果;在双级高压涡轮算例中两种紊流模型对总体性能参数以及气流角的计算结果相差不大,且S-A模型计算的马赫数比B-L模型的偏小。

Nusselt数在弯管对流换热中的作用

在工程应用中,管内Nu是一个非常重要的物理量,它反映了管内流体与外界的热交换特性。Nu可以分为周向Nup和平均Nu,周向Nup反映了壁面每个点上对流换热的强弱程度,而平均Nu反映的是管道整体的对流换热特性。数值研究表明:Gr数,Pr数以及Dn数较小的情况下,环形同心圆管道的换热效率最高,而当以上三个参数较大时,负偏心距时的换热效率最高。不管参数如何变化,正偏心距情况下的换热效率都最低。

叶轮机通流模型周向脉动应力项建模及分析

为了模化周向平均通流模型中的周向脉动应力项,一种基于势流分析的代数方法被提出,并被整合到通流模型中。通过对具有不同弯角、不同迎角以及不同来流马赫数的叶栅开展三维数值模拟和通流计算,分析结果表明:主要由无黏叶片力所诱发的周向不均匀性会重新组织叶片通道的进口流场,进而改变迎角。并且,随着负荷或马赫数的提高,这种周向不均匀性将加强,其对流动的影响也会进一步提升。加入该代数模型后,通流模型能够很好地实现对周向不均匀性的预测,周向脉动源项在前缘前与三维结果的偏差在5%以内,对叶片通道进口气流角改变量的预测精度提高了50%以上。