比熵增概念及其在湍流模型中的应用

通过对不同马赫数下(Ma=0.7、2.25、6)平板边界层进行直接数值模拟研究,提出比熵增的概念。比熵增表征单位机械能的耗散,并且在数值上表现出较好的单调性和马赫数无关性,因而能够可靠地表征边界层的范围。应用比熵增概念修正BL零方程湍流模型长度尺度,构造BL-entropy,同时采用原始的BL模型,SA一方程模型对后台阶(Ma=0.128)以及高超声速锥柱裙组合体(Ma=7.05)流动进行数值模拟,并与实验数据进行比较,结果表明BL-entropy能够准确地获取长度尺度进而得到均匀合理的涡粘性分布,极大地提升了原始BL模型模拟复杂流动的能力。

入口压强对离心式压缩机性能影响的数值研究

为探究入口压强小于1个标准大气压时对离心压缩机性能及流动结构的影响,该文以Krain离心式叶轮为研究对象,采用Spalart-Allmaras(S-A)方程湍流模型的有限体积法求解Reynolds时均Navier-Stokes(Reynolds time-averaged Navier-Stokes, RANS)方程组,得到入口体积流量恒定时入口压强400~101 325 Pa条件下离心叶轮的性能及内部流场结构。结果表明:随着入口压强减小,Krain叶轮总压比和总等熵效率先缓慢减小再急剧减小;相比于在101 325 Pa压强下,当压强为400 Pa时,Krain叶轮总压比和总等熵效率减小幅度超过10%。入口压强减小使叶轮及无叶扩压器内气体比熵增增加,其中由叶轮出口处反流、无叶扩压器轮盘侧边界层导致的比熵增显著增加。入口压强在1 333~101 325 Pa变化时,叶轮及扩压器内流场特征差异性较小,但轮盘侧边界层厚度随压强减小而增加,当入口压强减小至400 Pa时,叶轮出口处反流速度增大、区域扩大,扩压器内轮盘侧边界层厚度显著增加,使流动损失增加。故在负压压缩机初始设计阶段中采用基于正压的一维模型预测性能时,应考虑对性能进行负修正,且修正程度随入口压强减小而增加。

盘腔进气位置对径向预旋系统的影响

为减少径向预旋系统的流动损失,运用数值模拟方法对不同盘腔进气位置的径向预旋系统进行分析,结果表明:随着盘腔进气径向位置的增加,预旋喷嘴出口气流旋流比随之逐渐减小,径向预旋系统的温降系数及总压损失系数均随之逐渐增大。当旋转雷诺数等于7.9×10~6,盘腔进气位置由低位向高位变化时温降系数最大可增加525%,同时总压损失系数增加3.93%。径向预旋系统内比熵增主要发生在预旋喷嘴和共转腔,约占系统总体比熵增的80%。随着盘腔进气径向位置的增加,径向预旋系统总体比熵增降低,预旋喷嘴比熵增占比逐渐增大,共转腔比熵增占比逐渐减小。

预旋喷嘴径向角度对预旋特性影响的数值研究

为了降低低位进气预旋流路的气动损失,针对带有不同径向角度(0°～30°)预旋喷嘴的预旋系统进行了数值仿真,并对流动特性、温降特性和比熵增特性进行了分析。结果表明:随着预旋喷嘴径向角度的增大,预旋系统无量纲温降先增大后减小,流动阻力减小,预旋系统的流量随之增大。旋转雷诺数为2.3×107时,预旋喷嘴带径向角度的预旋系统无量纲温降比传统喷嘴最大可提高18.3%,存在某一角度使预旋温降特性达到最好。预旋系统内的耗散主要发生在预旋腔和共转盘腔内,径向角度为10°时其比熵增变化量分别占整个预旋系统总体比熵增的42.4%和30.2%;合理设计预旋喷嘴的径向角度,能改善预旋腔内气流的流动效果,并且可以减少整个预旋系统的不可逆损失。