离心叶轮流场对背压脉动的响应特性研究

本文首先采用数值模拟方法开展高速离心压缩机叶轮出口下游背压脉动的流场响应特性研究,分析指出高转速离心叶轮的气动性能波动随着背压脉动频率的增加而增大,但不同背压脉动频率下各时刻的流场分布具有相似结构。然后采用动态模态分解(DMD)方法对背压脉动下非定常流动的模态场进行分析,不同脉动频率下的非定常流场均包含叶轮转频的各阶谐波模态,流场响应的零阶模态为反映平均流场的基本模态,各阶谐波模态均为极限环模态,其它均为近似极限环振荡或衰减模态,流场响应的非定常成分主要由一阶谐波模态贡献。DMD分析结果表明:DMD方法能够对叶轮非定常流场变化特性进行降阶解构及准确预测。

高转速小流量离心叶轮流场对背压脉动的响应分析

为了研究离心叶轮流场对出口背压脉动的响应特性,自行开发了基于多块结构化网格的流场分析程序。对某燃料电池离心压缩机叶轮展开背压脉动下流场响应的算例考核,计算的性能曲线与商业软件结果吻合较好,并以该叶轮为研究对象,采用数值模拟计算其内流场对下游背压脉动的响应特性。结果表明:背压脉动参数决定了流场响应的同步性和流场参数的分布特征。流场参数的波动随背压脉动幅度的增加而增大,且相对脉动幅度均超过背压脉动;流场参数的波动随背压脉动频率的增加而显著增大,且流场变化的同步性随脉动频率的增加而降低,不同背压脉动频率下极限环的形态呈显著差异,3倍频脉动条件下不同时刻的叶表压力分布呈显著差异,且加载特性发生变化。

孤立子型热源强迫与大气和海洋流场的奇异响应

运用非线性动力学分析方法,对一个广义的地球流体动力学正压准地转模式中,局地热源强迫对大气和海洋流场产生的响应结果,进行了解析研究· 发现热源扰动和响应流场之间存在很好的对应关系:两者具有类似的分布模态,且孤立子型的响应流场要比孤立子型的热源强迫范围大得多,即"狭窄"的热源扰动可能导致"宽广"的流场响应;强迫热源的特殊结构有可能导致大气或海洋流场出现奇异响应,从而使大气或海洋环流发生异常(如大气阻塞现象);中、高纬地区的大气和海洋流场对热源强迫的响应要比低纬地区显著得多· 上述结果与中、低纬大气试验和观测资料的研究结果相符,可部分解释地球流体中。

离心叶轮流场对进口压力脉冲的响应分析

为研究离心叶轮流场对进口压力脉冲的响应特性,根据推导出的相对坐标系下HLLC通量算式,自行开发了基于多块结构化网格的叶片机流场分析程序。首先对跨声Krain叶轮和亚声径向叶轮展开算例考核,程序计算的性能曲线和叶表压力数据与试验和商业软件的结果吻合较好,且具有较商业软件更快的计算速度。之后以径向叶轮为对象,数值求解其内流场对进口压力脉冲的响应,对结果的分析表明:脉冲越尖,上下游流场变化越不同步,导致出口流量和气动力矩峰值时刻的延迟,流场压力的时空分布找不到时间对称轴。叶片载荷的空间分布特征不因脉冲宽窄和时间推进而改变,脉冲越宽,流场受扰变化时间越长,载荷峰值就越偏离稳态值。流场密度的变化值在不同时刻的空间分布是近似的。

大气和海洋流场对局地热源强迫的一种响应模态

运用动力学分析的方法，对正压准地转模式中局地热源强迫可能对大气和海洋流场产生的响应结果进行了研究，发现热源扰动和响应流场之间有很好的对应关系，两者具有类似的分布模态，而且“狭窄”的热源扰动可能导致“宽广”的流场响应，这与中低纬大气试验和观测资料的研究结果相符，同时也可部分地解释地球流体中局地热源异常可能导致的环流异常现象。

两层海洋对风场气候异常响应的解析解及其讨论

利用一个β通道线性化两层正压准平衡海洋模型,解析求解了两层海洋流场对时变风场(风场异常)的响应,得到了时变风场强迫下该海洋流场响应的斜压模态,而该模型中的正压模态则因其与实际情况不符,应弃之。在海洋上层该斜压模态中,西边界附近的海洋流场响应表现为一对由气旋性曲率和反气旋性曲率组成的涡旋偶;在时刻t=0和t=T/2(T为风场变化周期),β通道中线上分别有西风异常和东风异常最大,故响应表现为东向流和西向流;而在β通道的南北侧边界上响应表现为逆流;此时响应变化较缓慢,但强度大。在时刻t=T/4和t=3T/4,虽无大气风场异常强迫,但因海洋运动的惯性,响应仍不为0;此时,响应变化较剧烈,但强度小,且其流向也发生反转,这时上述涡旋偶也表现得最清晰。在海洋下层,海洋流场响应的强度和时间变化与上层相似,但流向却相反,而这体现了响应的斜压性。该海洋流场响应的频率与时变风场异常的频率相同,但存在位相差。因模型中采用了无辐散近似,故响应的性质为准平衡涡旋波,当风应力强迫和瑞利摩擦不太大时,即为海洋Rossby波。对该流场响应的振幅做了估计,发现风应力越大,β通道半宽越大,耗散越小,风应力变化的频率越低,则该响应就越大;在其他因子相同时,低频的风应力异常比高频的能激发出更大的海洋流场响应。得到的斜压模态的解析解与中纬度北太平洋在日本本州岛以东、以南的实际海洋上层流场异常相像,故其在一定程度上能够反映中纬度北太平洋海洋上层流场对实际风应力异常的响应情况;且其较我们以前得到的结果要优,适用性也更广,而这有助于揭示该响应的性质和机理。

正压海洋对中纬西风响应的解析解及讨论

采用中纬度正压准平衡海洋模型,解析求解了其对时变风场强迫的响应,主要结论有:在时刻t=0和T/2(T为风场变化周期),在β通道中线上该风场强迫出明显的海洋流场,而在时刻t=T/4和3T/4,虽无大气风场强迫,但仍有较弱的海洋流场。在β通道西边界附近的海洋响应为一对由气旋性和反气旋性曲率构成的涡旋偶,这与在日本本州岛以东、以南海洋流场的EOF模态相像。该解析解中时变风场与流场响应的频率完全相同,但两者存在有位相差,这表明流场响应要滞后于风场异常。该海洋响应的性质属准平衡涡旋波。该解析解能够大体反映时变风场强迫下中纬度北太平洋上层海洋流场的响应,且较先前的结果要优。