燃气轮机压气机涡量动力学理论及分析方法

阐述了压气机涡量动力学理论及分析方法,建立了压气机总性能参数与两个重要的涡量参数(边界涡量流(BVF)和周向涡量)的直接数学物理关系,研究了基于BVF和周向涡量的分析优化方法.将该方法应用于燃气轮机多级轴流压气机中进行涡量动力学分析,从涡量角度指出了改进的方向.结果表明:周向涡量能反映近壁面的高损失区,使周向涡量峰值束缚在近壁区有利于降低端区损失,在通流设计中可通过优化环量分布控制周向涡量分布,算例中基于周向涡量优化可使跨声压气机转子效率提高1.13%;边界涡量流BVF能反映旋涡的壁面根源,通过优化BVF的分布可控制涡量壁面根源,有利于抑制旋涡和流动分离,基于BVF优化可使转子效率提高1.12%.

基于涡量-流函数法的曲面方腔顶盖驱动问题的数值研究

对几种不同几何构型下的曲面方腔顶盖驱动问题进行了数值研究。采用曲面上的涡量-流函数方法和曲线坐标系下的有限差分格式对曲面上的不可压缩流动Navier-Stokes方程进行数值求解。计算结果表明:在Re=100和Re=1000下得到的稳态解与近期文献中基于原始变量的高阶曲面有限元方法所得的结果一致;在有限雷诺数下,正高斯曲率对漩涡有排斥作用,负高斯曲率对漩涡有吸引作用;曲面的曲率与涡量分布有复杂的耦合作用,可以造成更多漩涡结构的产生,且雷诺数越高,高斯曲率绝对值越大,几何效应越明显。

双流道泵叶轮边界涡量流分析与水力优化

为优化双流道泵叶轮,对原始泵的内流场进行数值模拟,引入边界涡量动力学理论进行流动诊断,分析了叶轮表面的边界涡量流(BVF)、摩擦力线以及涡量线的分布规律,找到了叶轮内产生不良流动的位置及其动力学根源。根据流动诊断结果,有针对性地调整影响双流道泵叶轮内流状态的结构参数,得到优化后的双流道泵叶轮。联合CFD计算和边界涡量动力学流动诊断方法,对比分析了优化前后的双流道泵叶轮,结果表明:优化后叶轮表面的BVF、摩擦力线以及涡线分布得到明显改善,BVF峰值和均值均显著降低,均匀性指数更接近于1,流动分离被抑制,叶轮受力状况得到改善,扬程和效率等水力性能明显提高。研究结果证明了基于边界涡量动力学理论的流动诊断和优化方法在流道式叶轮机械中应用的可行性。

基于曲面主方向的正交系的非完整基理论及其在流体力学中的相关应用

本文将微分几何中光滑曲面上局部存在的基于主方向的正交系联系于张量分析中的非完整基理论,以此为曲面与其邻域上的张量场场论提供了一种新方法,称为基于曲面主方向的正交系的非完整基理论。这种场论方法,基于基面的沿主方向的参数坐标,然后沿基面的法方向进行空间延拓,以此获得基面邻域内的完整的正交系。对此引入非完整基理论,可得所有的非零Christoffel符号直接对应为基面或者当地曲面的主曲率或者测地曲率,因而张量场的各种微分算子相对于曲面的主方向与法方向展开,所得分量表达式仅含物理量与曲面曲率。由此不仅可以清晰地展现曲面几何特征与物理量/物理过程之间的关系,而且所获得的分量表达式形式上最为简单。另一方面,经典的诸如柱坐标系、球坐标系等正交系也隶属基于曲面主方向的正交系,从而本文方法可以统一相关正交系下的张量场场论。作为应用,本文推导了可变形曲面上涡量、涡量法向梯度与变形率张量的表达式,曲面上流体边界层方程的分量方程,曲面介质相关守恒律方程等。

利用周向涡量对压气机进行气动数值优化

采用人工神经网络结合遗传算法,利用周向涡量,对一单级低速压气机转子空间弯掠积叠曲线进行了气动数值优化.优化目标为小流量工况下绝热效率最大.结果表明,优化后转子出口的周向涡量分布改善,压气机级在小流量区域的效率得到很大提高,稳定工作裕度得以拓宽.该方法不仅在数学和物理上使得优化进程高效的收敛于最优解,而且能给后续的压气机级提供一个组织有序的流场.

不同后进气系统对双面复合叶轮的影响

新型双面复合叶轮中,后进气通道与前进气通道完全不同,其流场结构更为复杂,阐明其对双面复合叶轮流场特性的影响具有重要意义。微型双面复合叶轮发动机后进气管通常有直管型、椭圆型和对称翼型三种类型,采用数值模拟方法分析不同后进气系统对双面复合叶轮压缩特性和流场结构的影响。结果表明:相比于直管型后进气管,椭圆型后进气管和对称翼型后进气管在压缩性能上略差,在流量范围上无明显差异;径向进气方式中椭圆型后进气道方案较佳,可匹配满足双面复合叶轮压缩特性和尾喷管稳定排气的需求;由副叶轮叶根轴向速度下降所引起的压力梯度增大,进一步诱导的分离涡是影响双面复合叶轮性能的主要原因之一。

竖井贯流泵水力不稳定特性的改善研究

为有效抑制竖井贯流泵水力不稳定马鞍区的产生,该文基于URANS方法和FBM-CC湍流模型,开展了沟槽控制技术改善竖井贯流泵水力不稳定特性研究。在深度失速工况下,采用正交试验方法优选出显著改善竖井贯流泵水力性能的沟槽控制技术方案,利用边界涡量动力学和熵产理论深入研究沟槽控制技术改善竖井贯流泵水力不稳定特性的机理。研究结果表明:沟槽控制技术能够有效抑制马鞍区工况下叶顶间隙泄漏涡和叶片表面的流动分离,改善了叶片表面的边界涡量流(BVF)均匀分布情况,提高了叶轮的做功能力以及降低了叶轮区域的水力损失,显著提升了竖井贯流泵的水力性能,其中在深度失速工况时,扬程和效率分别提高了12.3%和1.75%,进而能够有效抑制水力不稳定马鞍区的形成。