广义二阶流体非定常Couette流动的精确解

将分数阶微积分运算引入到广义二阶流体的本构关系中,建立了带分数阶导数的广义二阶流体的本构模型.利用离散逆Laplace变换技巧和广义Mittag-Leffler函数研究了广义二阶流体的非定常Couette流动,对任意的分数阶导数得到了问题的精确解,这为研究黏弹性流体的力学性质提供了新的解析工具.

基于联合运行规律的增压器压气机非定常流动模拟

为了提高压气机在非定常流动状态下与增压器的匹配精度,基于增压器运行工况提出了内部联合运行规律,并开展不同结构压气机的非定常流动特性和性能修正研究。结果表明,在3种结构压气机中,除了高速大流量联合工况外,采用进口直径减小1 mm的等长叶片压气机的非定常流动性能有明显优势,且喘振性能更好。基于非定常系数对压气机性能修正后,压气机性能更接近实际工作状态。

双吸泵作液力透平叶轮内非定常流动DMD分析

为了精确分析双吸泵作液力透平叶轮内的非定常流动特性,采用SST k-ω湍流模型在设计工况下进行数值模拟。对一个周期的非定常速度场进行动态模态分解(DMD),并结合Q准则,得到前4阶主要模态及其相应的时空信息。分析结果表明:DMD方法将叶轮内复杂的流场特征分解为动静干扰模态、基本模态和耗散模态。其中动静干扰模态占主导地位,频率为叶轮旋转频率,反映出叶轮内流动受静止部件干扰的流动特征,涡结构主要为点状涡和不连续的管状涡;基本模态频率为0Hz,反映出叶片流道几何特征引起的稳态流场特征,涡结构主要为连续的管状涡;3阶及4阶模态为耗散模态,反映出叶轮内流动受静止部件干扰,在叶片上产生的流动分离及不稳定涡结构脱落的特征,以片状涡和不连续的管状涡为主。在特定频率下DMD方法可以对叶轮流场结构进行分解,能够清楚地分析双吸泵作液力透平叶轮内复杂流场的非定常特性。

考虑进口温度畸变的涡轮级非定常流动数值仿真

为更好地预测涡轮级非定常流动特征,以准确分析进口温度畸变对下游叶排产生的影响。本文基于有限差分法开发了多级涡轮非定常流动数值求解器,通过试验数据验证其准确性和可行性,利用该求解器针对进口温度畸变进行了单级涡轮非定常流动数值仿真。以某单级高压涡轮作为研究对象,改变进口总温分布条件,设计了在进口总温均匀分布、总温沿径向不均匀分布和涡轮进口存在热斑3种方案下,进口温度畸变对马赫数、叶片热负荷等因素产生的影响,以及高温气流迁移路径的变化规律。结果显示,进口温度畸变对单级涡轮内部流场的影响不大,进口温度径向不均匀分布会导致导叶径向中上部分出现带状高温区域,在60%叶高处的导叶前缘温度最高。这种现象会因热斑的存在而加剧,在同一周期内进口温度畸变不会造成导叶表面最高温值的大幅度变化。主流气体在涡轮流道作加速运动,热斑由椭圆形逐渐变窄,温度降低,在导叶尾缘与脱落涡相互作用,气体受挤压边缘呈现锯齿状。动静交接面后,在动叶前缘和动叶压力面热负荷较为显著,并且在同一周期内进口温度畸变会使动叶表面的最高温值在一定范围内变化,在涡轮流道内进口温度畸变不会使高温气流在径向方向上的发生较大的偏移。

非定常等离子体激励对大攻角流动分离控制的数值模拟研究

应用交流电(alternating current,AC)介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)等离子体流动控制由于其结构简单、响应频率快、可实现实时定量控制等优点,正在成为等离子体流动控制技术的重点研究方向。结合基于分离涡模拟(detached eddy simulation,DES)和等离子体唯象体积力模型的方法研究非定常等离子体激励对NACA0015翼型在攻角为20°情况下流动分离控制。结果表明:非定常等离子体激励在高雷诺数、大攻角下对翼型分离具有明显的控制效果,可以达到增升减阻目的,且流动控制效果比定常激励效率更高;非定常等离子体激励流动控制与定常等离子体激励流动控制机理不同,非定常等离子体激励通过促进分离区内速度脉动,对流场产生非定常的干扰,使得分离剪切层提前失稳,增强流场涡结构的掺混,从而抑制流动分离。

非定常流动对声传播的影响研究

研究了非定常流动对声传播的影响,采用了一般非线性声传播方程,该方程可以看作是Westervelt方程的推广形式.研究采用了流场马赫数较小且声场波动较小的先验条件.为了分析非定常流场对时频声场的影响,本文采用时域有限差分法(FDTD)在二维参数阵列模型下进行了仿真计算.研究结果表明流速大小及方向会在一定程度上影响声传播的非线性效应,从而导致非线性作用下产生的差频信号幅值和方向发生偏移.

透平双重径向轮缘密封非定常燃气入侵特性研究

针对燃气入侵导致部件热疲劳和涡轮气热性能降低问题,提出了一种双重径向轮缘密封结构。采用数值求解三维非定常雷诺平均湍流模型(URANS)和SST k-ω湍流模型的方法,研究了4种封严冷气量下双重径向轮缘密封的时均封严效率和非定常流动特性,对燃气入侵和冷气出流特性进行了分析。研究表明:所提结构的内腔可以达到封严状态,外腔时均封严效率随封严冷气量的增加而增加;密封间隙内的非定常流动特性受较大Kelvin-Helmholtz不稳定旋涡影响,高温燃气直接冲击转盘壁面的过渡圆弧结构,并在该位置与冷气掺混形成顺时针旋涡阻止冷气出流,呈现左侧封严效率的高封严效率区和右侧的低封严效率区;受高动量封严冷气作用,入侵燃气向静盘侧偏移形成大尺度逆时针旋涡,进一步阻止燃气入侵。封严冷气流出后沿动叶端壁向下游流动,同时受叶栅通道旋涡卷吸作用逐渐脱离壁面,使得对端壁的冷却效果降低,在动叶尾缘处冷却效率降低至0.03以下。该研究为燃气透平双重径向轮缘密封的非定常燃气入侵和封严机理,以及封严冷气对下游端壁影响的研究提供了一定的参考。

1.5级燃气透平轮缘密封非定常流动特征和封严效率的数值研究

为探究燃气轮机透平轮缘密封燃气入侵机理和非定常封严效率演变特性,针对某型燃气轮机透平第一级和第二级静叶(1.5级)自主设计了轮缘密封结构,通过数值求解三维unsteady Reynolds averaged Navier-Stokes(URANS)方程组和SST k-ω湍流模型,研究了实际运行工况下燃气透平轮缘密封非定常封严效率和流动特征。结果表明:4种不同冷气流量下,前后盘腔密封齿以下区域均被完全封严;前盘腔受燃气入侵影响较大,冷气流量最大时外腔静盘面上平均封严效率仅为后盘腔的48.2%。盘腔内封严效率和轮缘密封间隙内流场受主流非轴对称周向压力分布和Kelvin-Helmholtz(K-H)不稳定性涡共同影响,前盘腔出口附近非轴对称周向压力和轮缘间隙内K-H不稳定性旋涡强度均显著大于后盘腔,轮缘间隙处最大入侵流量约为后盘腔的2.5倍;与K-H不稳定性涡相比,后盘腔外腔内存在的与不稳定性涡相干的两个涡旋和非轴对称周向压力分布对封严效率和流场的影响更为显著。前后盘腔内存在多个旋涡,旋涡大小和位置不断变化,改变对入侵燃气和封严冷气的流动阻力,进而影响盘腔内封严效率和流动形态。

基于动力学模态分解的方柱绕流非定常流场分析

具有方形断面的结构或构件广泛应用于实际工程中,针对方柱绕流风荷载和风致振动特性开展研究至关重要。方柱绕流的尾流效应往往涉及多种复杂流动现象,捕捉其流动主要模态对深入分析流场特性以及流动控制具有重要意义。该文基于动力学模态分解(Dynamic Mode Decomposition,DMD)方法建立了能够提取流场主要模态并进行流场重构的降阶模型。基于数值模拟获取非定常流场快照;利用DMD进行主要模态提取;基于提取的主要模态对非定常流场进行重构。结果表明:DMD方法提取的前4阶模态能够准确重构原始流场,为流动控制和结构设计提供参考。

微型高速燃油泵非定常流动及振动特性

以某微型高速燃油泵三维模型为研究对象,采用SST k-ω湍流模型、PCB 352C33型加速度传感器和DASP-V11采集与实时分析软件,基于数值计算与试验手段分别获得了定常工况下燃油泵内部压力、速度、湍动能及非定常工况下燃油泵径向力、轴向力、监测点压力脉动及3个轴向X,Y,Z的振动加速度值,并采用快速傅里叶变换得到监测点与3个轴向的频域图.研究结果表明:采用SST k-ω湍流模型及叶片表面加密的数值求解结果与试验结果相吻合,叶片表面Y^(+)为0~2.00,蜗壳壁面Y^(+)为0.03~25.58;与常规离心泵一样,小流量工况下,燃油泵叶轮与蜗壳中存在明显的流动分离与湍动能耗散区;非定常流动中,燃油泵径向力在X,Y方向的分量没有明显的周期性,而轴向力的周期性与叶片数相等;蜗壳、叶轮动静干涉区的监测点呈明显的周期性,压力脉动幅值在叶频960 Hz,而振动脉动幅值在2倍叶频1 920 Hz,Z轴的振动幅值均高于其他2个轴向.研究结果可为高速燃油泵非定常流动设计优化提供一定的参考依据.

双竖井铁路隧道活塞风非定常流动理论计算研究

针对既有竖井影响下活塞风理论计算研究的不足,基于连续性方程和伯努利方程建立双竖井铁路隧道活塞风非定常流动理论计算模型;将列车在双竖井铁路隧道中行驶的全过程分为4个阶段,分别推导各阶段隧道内活塞风非定常流动的理论计算式;通过模型试验和数值模拟2种方法,验证理论计算式的可靠性并进行修正。结果表明:随着列车与竖井相对位置的变化,隧道内与竖井内的风流关系呈动态变化,若按固定值计算会引起较大误差,而采用数值模拟方法可实现风流动态关系式的反推,达到修正理论计算式的目的;修正后的理论计算式精度较高,总体误差低于10%,适用列车速度范围为0~360 km·h^(-1);该理论计算式不仅可计算结构类似的铁路或地铁隧道活塞风速,还可推广应用于单竖井或多竖井(3个及以上)隧道。

开式燃油离心叶轮汽蚀特性非定常仿真及分析

为了明确开式燃油离心叶轮汽蚀特性的非定常演变规律,在不同进口压力下进行汽蚀非定常仿真,重点分析叶轮及蜗壳关键流动区域内非定常流动特点、气液两相分布特点及压力脉动时频特性。确定汽蚀非定常仿真边界,对不同仿真步长及汽蚀模型进行相关性检验。将数值仿真预测结果与其性能试验结果对比,结果表明扬程和效率最大误差均小于5%,即所采用的仿真方法有效。仿真结果表明:不同进口压力下,叶轮进口区域均会产生一定的空化区域,而低进口压力下该区域会发生扩张,从叶片吸力面延伸至相邻叶片压力面,并逐渐扩展至叶片出口区域。另外,叶轮流道内主频为转频f_n,汽蚀的产生影响了进口区域的压力脉动幅值,仍会存在一定的非定常强度;部分位置出现了其他倍频,而蜗壳流道内主频仍为叶频fb。

卷积自编码器在非定常可压缩流动降阶模型中的适用性

为有效降低使用计算流体力学(CFD)方法的设计成本和周期,降阶模型(ROM)得到广泛关注。对于复杂的可压缩流动,使用本征正交分解(POD)等线性方法进行流场降维,需要大量模态才能保证流场重建的精度,采用非线性降维方法能够有效减少所需模态数。卷积自编码器(CAE)是一种由编码器和解码器组成的神经网络,能够实现数据降维和重构,可看作是POD方法的非线性拓展。采用CAE进行流场数据的非线性降维,同时使用长短期记忆(LSTM)神经网络进行流场状态的时间演化。对于不可压缩问题,使用自编码器和LSTM结合进行流场重构的方法已有较多研究,选择一维Sod激波管、Shu-Osher问题、二维黎曼问题和开尔文-亥姆霍兹不稳定性算例,测试该ROM对非定常可压缩流动的有效性,同时基于POD方法,在不同模态数下构造Sod激波管和黎曼问题的ROM作为对比。结果表明:对于非定常可压缩流动,CAE-LSTM方法能够在使用较少自由变量数的前提下获得较高的重构和预测精度。

离心泵内部非定常空化流动特征的数值分析

运用完整空化模型和混合流体两相流模型,对比转数为130的离心泵流道内部的空化流动进行了定常及非定常的数值模拟.预测了叶轮流道内空化发生部位和发展程度,对蜗壳隔舌附近处流场的压力场进行了监测,得到了压力脉动的变化规律.结果表明:空化初生位于叶片背面进口边附近处,随着进口压力的降低,空泡分布区域及空泡体积分数不断扩大,当空化严重时,叶片工作面上会有空泡聚集;在叶轮的1个旋转周期中,单个叶片表面上的空化发展程度随叶轮与蜗壳相对位置的改变而发生规律性的变化;压力脉动频率存在明显离散特性,叶片通过频率下的脉动幅值较大;随着空化程度的发展,空化流动诱导泵流道内压力脉动幅值不断增加,并且两者存在相互对应关系.

分流叶片对离心泵内部非定常流动特性的影响

采用Ansys-CFX软件对5个具有不同分流叶片进口直径、不同分流叶片周向偏置度的叶轮方案进行全流场非定常数值模拟,分析了有、无分流叶片以及不同分流叶片设计对叶轮进口、蜗壳出口及叶轮-蜗壳交界面处压力脉动特性的影响规律.结果表明:分流叶片有利于降低叶轮进口压力且提高蜗壳出口压力,从而提高泵的扬程,带分流叶片设计方案的扬程比没有分流叶片设计方案提高2%～12%,但不同分流叶片设计方案的扬程绝对值差异不大;分流叶片有利于减小叶轮进、出口处的压力脉动;有利于减小叶轮-蜗壳交界面处的压力脉动,从而改善叶轮出口的'射流-尾流'结构;不同分流叶片设计对扬程的影响趋势接近,但对非定常流动特性的影响不同,当分流叶片进口直径为106 mm且向长叶片背面偏置5°时,扬程最高,压力脉动最小;带偏置分流叶片设计方案的扬程略高于带不偏置分流叶片设计方案.

低比转数离心泵内部非定常流动特性数值预测

为了深入研究低比转数离心泵在运行过程中内部的非定常不稳定流动现象的内在机理,采用CFD数值模拟的方法对模型泵内部三维湍流流场进行数值计算,并根据离心泵速度三角形推导了用来直观定量衡量流动非定常强度的时均非定常强度系数。通过分析该时均非定常强度系数在低比转数模型泵中的分布可知,叶轮叶片背面附近流场非定常性较强,且流体流经叶片后缘产生的尾迹现象同样随时间波动明显。蜗壳流道出口管及靠近叶轮出口处流动非定常性较强。

双蜗壳式离心泵内部非定常流动压力特性分析

为研究双蜗壳式离心泵内部流动特性,基于标准k-ε湍流模型和标准无滑移网格模型,应用CFX软件对其不同工况下的非定常流动进行三维数值模拟,得到了不同工况下双蜗壳式离心泵叶轮和蜗壳内部流道的压力脉动特性。计算结果表明,在小流量工况下,各监测点处的压力脉动都比较大且不均匀;在叶轮流道中,叶轮流道靠近出口边缘的压力脉动是叶轮流道其他区域压力脉动的5～8倍;在流量Q为34、110、148、160 m^3/h 4个工况下叶轮分别旋转30步（90°）和90步（270°）时,压力脉动出现最大值。双蜗壳内圈流道的压力脉动强于外圈流道的压力脉动且隔舌处出现压力脉动较大值,大流量工况下双蜗壳隔舌和出口产生一定回流导致蜗壳该处附近监测点压力脉动先减小后增大。从傅里叶变换得到频域特性可知,叶频及其倍频是压力脉动的主要频率,且呈衰减趋势。

离心泵非定常流动计算及性能预测

采用以SSTk-ω模型封闭的雷诺平均方程和滑移网格技术计算了离心泵内的非定常流场.基于非定常流动计算结果,考虑容积损失、圆盘摩擦损失和机械损失,对离心泵的性能进行了预测,并与实测性能曲线进行了比较.结果表明,在给定进口速度的条件下,由于叶轮与蜗壳隔舌的相对位置不同,泵的扬程和轴功率有比较大的脉动,且其脉动幅值随流量的增大而增大.定常流动计算和非定常流动计算所预测的性能曲线在大流量与设计工况时相差不大,在小流量时有明显的差别.与试验曲线相比,预测的扬程曲线偏低,轴功率曲线也偏低,效率曲线比较接近.由于在设计工况时定常计算和非定常计算差别不明显,在设计过程中采用定常计算是可行的.

离心泵蜗壳内部非定常流动的数值模拟

采用双重时间步方法对一离心泵内部的液体非定常流动进行了数值研究。结果表明,叶轮叶道出口的“射流/尾迹”结构沿蜗壳流动方向而变化,蜗壳中部区域的尾迹中心约位于叶片吸力面之后叶道圆周长的10%处,蜗舌分水区尾迹中心大约在吸力面之后叶道圆周长的20%处。蜗壳中静压的波动主要受叶片蜗舌夹角影响,动压主要受“射流/尾迹”结构影响;流量大于设计流量时,静压在蜗壳内沿流动方向渐降,流量小于设计流量时,静压在蜗壳内沿流动方向渐升,随着流量从小到大变化,蜗舌舌尖上的滞止点从蜗舌外侧向蜗舌内侧移动。

非定常流动计算的PISO算法

与SIMPLE算法比较 ,PISO算法有其计算非定常流动的优势。本文针对非交错网格下PISO算法提出改进 ,简化其求解过程 ,使其计算步骤统一。斯托克斯第二问题计算结果比较 ,说明在非交错网格下改进后PISO算法比SIMPLE算法更适宜于非定常流动的计算 。