工业离心压缩机数值模拟方法及湍流模型研究

为建立一套能够快速、准确预测工业离心压缩机基本级性能的数值模拟方法,针对某离心压缩机基本级试验装置开展了数值模拟方法的研究。探讨了数值模拟所采用的模型简化、网格型式、网格密度、边界条件、离散方法、湍流模型等,重点讨论了目前广泛使用的k-ε、RNG k-ε、k-ω、SST、SST-RM 5种湍流模型的特点和适用性。采用数值模拟方法对基本级试验装置在不同机器马赫数下的气动性能进行了预测,并与试验结果进行对比,发现数值模拟方法可以准确预测大部分工况,仅在近失速和近阻塞区与试验结果存在较大偏差。其中,采用SST-RM湍流模型的预测结果与试验结果最为吻合,这得益于其对流动分离的起始位置和分离区域的预测较其他湍流模型更为准确。研究结果对提高工业离心压缩机数值模拟精度有借鉴意义。

基于时空最优低维动力系统的多尺度可压缩湍流数值模拟方法

按照周培源教授关于研究湍流数值模拟建模时必须分析和求解脉动速度场的思想,该研究基于第一性原理,系统地建立了基于时空低维最优动力系统的多尺度可压缩湍流数值模拟方法(LMS方法),并将其应用于多次冲击Richtmyer-Meshkov问题的数值模拟中,首次得到了可压缩湍流的中尺度流场和不同于DNS近似解的湍流近似解.数值结果表明,LMS方法可以用较少的网格获得更精确的湍流近似解.首先解决了研究中遇到的几个问题,为LMS方法的构建铺平了道路.这些问题是:基于湍流的物理特性,提出了湍流大、中、小尺度分解的新概念;找到了box滤波空间相关性的计算方法;指出了湍流建模理论中长期存在的逻辑错误,提出了多尺度湍流模型的概念;讨论了湍流封闭问题的本质和关键,给出了克服湍流封闭问题的数值方法.采用box滤波方法/空间网格平均方法且在大尺度网格的意义下,LMS方法的本质是一种将RANS、LES、DES和DNS等湍流数值模拟方法统一的全新湍流数值模拟方法.需要指出的是,LMS方法也可以作为湍流模型研究的辅助工具,以检验SGS尺度方程/脉动方程中各项所对应的湍流模型是否正确.

κ—ε湍流模型可压缩性修正在超音速混合层中的应用研究

对标准k-ε两方程湍流模型进行Durbin可实现性、Heinz湍流产生项以及Sarkar可压缩性修正三部分修正。尝试考虑结构可压缩性修正的影响,发展了一个同时考虑结构可压缩性修正和膨胀可压缩性修正的湍流模型。以超音速混合层为基础,分析了各个可压缩性修正的相对重要性,并将混合层厚度增长率、湍流动能的计算结果与实验结果进行比较,验证、分析修正模型的效果。结果表明,修正模型能够准确地预测到超音速混合层的发展,使模拟结果和实验结果更加接近。

应用GAO-YONG可压缩湍流模式数值模拟RAE2822翼型绕流

应用Gao-Yong可压缩湍流模式,数值模拟RAE2822二维翼型在两种不同来流情况下的跨音速粘性绕流问题.湍流模式的对流项用ROE格式离散,扩散项用中心差分格式离散,空间离散后的控制方程用多步Runge-Kutta显式时间推进格式求解.计算结果预测了翼型表面的压力系数的分布、平均速度剖面、激波的位置、马赫数等值线等情况.同时,对翼型表面激波与边界层相互干扰以及转捩问题进行分析计算,结果表明,Gao-Yong可压缩湍流模式结合适当的数值方法能够成功地模拟翼型跨音速粘性流动.最后,基于Gao-Yong可压缩湍流模式各项异性湍流粘性的机理,初步提出一种预测转捩起始位置的方法.

不同湍流模型在离心压缩机叶轮内流场数值模拟中的比较研究

以SIMPLEC算法为基础,运用3个湍流模型(标准k-ε模型、RNG k-ε模型、realizable k-ε模型)模拟了离心压缩机叶轮内部湍流流动,考查了不同湍流模型在计算叶轮机械内部分离流动时的性能。数值实践表明,RNG模型性能最优,应优先考虑使用RNG模型进行叶轮机械内流模拟。

两方程湍流模型的可压缩性修正及其应用

本文在不可压两方程湍流模型的基础上进行可压缩性修正 ,给出了k ε、k ω两方程模型的可压缩性修正方程 ,并对亚声平板湍流流动和跨声喷管流动进行了数值模拟 ,得到了较好的结果。从而证实了两方程湍流模型经过可压缩性修正 ,能较好地模拟可压缩流动。

可压缩性修正湍流模型的高超声速飞行器流场模拟研究

采用经可压缩修正后的标准k-ε湍流模型对一类高超声速飞行器模型的气动特性进行了研究。计算中主要考虑了马赫数和飞行攻角的影响。计算结果表明,通过可压缩性修正,标准k-ε湍流模型能准确捕捉激波结构和复杂的压力变化规律;在激波系和预压缩面间构成的流动域内形成了高压均匀流动,实现了飞行器设计目标;在激波结构和激波发展趋势方面,计算结果和实验数据符合得很好,而两者在前体预压缩面上的压比值方面略有差异;经可压缩性修正后湍流模型的计算结果要明显优于原始湍流模型,可作为高超声速气动计算的有效方法。

可压缩粘性流动中双方程湍流模型的选择

应用本文作者提出的高收敛率、高精度和高分辨率方法求解可压缩粘性流动问题时选用了k－∈、k－ω和q－ω等三种考虑了可压缩性的双方程湍流模型．综合比较了模型本身以及边界条件提法的难易程度，它们对求解复杂流动以及捕捉各种间断面和滑移面的能力，对初始流场的依赖程度，对收敛速率、CPU时间以及对解的精度和分辨率等的影响。本研究为三维非定常湍流计算提供了选择湍流模型的成功经验．

SST二方程湍流模型在高超声速绕流中的可压缩修正

为模拟高速可压缩湍流问题,对剪应力输运(SST)湍流模型进行了可压缩修正。数值格式采用改进的总变差减小(TVD)格式,并对湍流模型的负值强制项进行了隠式处理。在此基础上计算了绕平板以及基本无分离和具有分离流动结构的压缩拐角的高超声速流动。计算结果和实验数据及半经验公式的对比表明:SST湍流模型的可压缩影响项为密度加权脉动速度的平均与压力梯度的标量乘积。经可压缩修正后的SST湍流模型与原模型及其它可压缩修正模型相比,所计算的壁面压力、摩擦阻力和壁面热流分布具有更高的精度。

离心压缩机两类湍流模型计算对比分析

应用数值计算软件NUMECA,详细分析两类湍流模型在离心压缩机模型级模拟当中流场分布情况,并与实验结果相对比。研究结果表明,在小流量工况下,两方程模型在流场细节捕捉上更为细致,而大流量工况下,而两方程模型计算偏大,一方程则计算稳定,适应性好。

压缩拐角激波/边界层干扰的可压缩湍流模型研究

为研究压缩拐角激波/边界层干扰问题,抓住可压缩流动中的密度变化特性,利用构造的可压缩Von Karman尺度,基于KDO(Kinetic Dependent Only)湍流模型,发展出可压缩湍流模型CKDO(Compressible Kinetic Dependent Only)。通过对8°,16°,20°和24°压缩拐角算例的数值模拟,测试了其对可压缩、激波/边界层干扰这一湍流难题的求解能力。计算结果表明,总体上CKDO模型对壁面压力和壁面摩擦阻力系数的捕捉能力优于其它模型,并且随着压缩拐角角度的增大,其描述该流动的能力更加突出。CKDO模型在24°压缩拐角处计算的分离区大小仅比实验大10%左右,明显比其它模型结果好。这表明CKDO模型在模拟激波/边界层干扰这一类流动中有较好的适用性。

运用GAO-YONG湍流模型对扩压器内跨声速流动的数值模拟

运用GAO-YONG可压缩湍流方程组,采用同位网格SIMPLE算法,对扩压器跨声速流动中的二维激波/湍流边界层干扰现象进行了数值模拟。将计算得到的流场的时均参数与实验值进行比较,数值模拟结果在激波强度、壁面压力分布以及分离点和再附点位置等方面,与实验值吻合较好,表明GAO-YONG可压缩湍流方程组能够比较准确的模拟较强激波/湍流边界层干扰流动,从而进一步为GAO-YONG湍流模型的正确性及其在可压缩流场模拟方面的适用性提供了佐证。

在超音速压缩角下的湍流模型数值比较

在超音速飞机进气道的湍流数值仿真中,选择合适的湍流模型可以比较准确的捕捉激波位置和流场分布,对飞机发动机的设计和控制都是很重要的。但是对湍流模型的选择,文献中并无记载。针对上述情况选择了进气道的简化结构,分别运用标准的高雷诺数k-epsilon模型,重整化群RNG模型,Realizable k-epsilon模型及ASM模型等进行了数值仿真和比较。基于SIMPLE算法,采用相同的分析壁面函数处理法,并且对流项都采用MINMOD格式。从比较发现:RNG模型比标准的k-epsilon模型和Realizable k-epsilon模型精度高,比ASM模型精度稍低,但是比ASM模型省时间,最后作者认为RNG模型在算例中是最经济实用的湍流模型。

SSG模型在压缩拐角激波/湍流边界层干扰模拟中的应用

采用非线性方案模化雷诺应力再分配项的二阶矩雷诺应力输运模型——SSG模型和两方程线性涡粘模型SST模型,对24°高雷诺数二维压缩拐角激波/湍流边界层相互干扰流动进行数值模拟。通过在壁面压力分布、壁面摩擦阻力系数分布、截面速度分布及分离区大小等方面与实验数据比较,综合评估了上述两种模型模拟该问题的能力。结果表明:两种湍流模型在上述各方面都取得了与实验较为一致的结果,但相比较而言,除SST模型在流动再附后对壁面摩擦阻力系数分布的模拟更接近实验值外,SSG模型结果在上述其他方面均更接近实验值。本文工作为压缩拐角激波/湍流边界层干扰这类流动数值模拟的湍流模型选择提供了参考。

使用GAO-YONG模型对不可压圆管湍流的计算

基于有限体积法思想运用S IM PLER方法PLS格式求解轴对称柱坐标系下的GAO-YONG方程组,对管流边界层以及圆管湍流的自然转捩过程进行数值模拟。结果表明,方程不仅对于边界层流动的内层壁面律和外层亏损律能作出良好的预测,而且能够预报层流-湍流转捩过程中摩阻系数和速度型的变化。

非线性湍流模型可压缩性修正研究

以非线性的二阶SZL和三阶CLS湍流模型为基础,对低雷诺数k-ε模型引入膨胀可压缩性和激波不稳定性修正来模化可压缩效应,发展了可压缩性修正的非线性SZL和CLS湍流模型.膨胀可压缩性修正采用广泛使用的Sarkar修正模型,激波不稳定性修正通过抑制湍流动能产生项得到.应用修正的非线性模型数值研究了经典的二维轴对称凸轴结构的跨音速流动,将预测的壁面压力、激波产生位置、近壁面流速、雷诺切应力、分离区长度等与实验结果进行对比,结果表明两种修正的非线性模型都有明显改进.预测的分离区位置、大小以及之后的再附着位置均有较大的改进,与实验符合较好.

可压缩湍流封闭模型初探──湍流动能K方程

为解决可压缩流的湍流运动方程组封闭问题，对瞬时值的Ｎａｖｉｅｒ—Ｓｔｏｋｅｓ运动方程进行质量加权平均处理，根据湍流封闭理论对各脉动量关联项进行模化，得到可压缩流动的湍流动能Ｋ方程，完成了建立一个适用于三维可压缩流的湍流封闭模型的第一步工作．

SST湍流模型的激波与可压缩效应改进

由于缺乏对某些重要流动特征的考虑,针对不可压流发展的标准SST湍流模型在描述超声速流场时存在明显的局限性。为改善SST模型在吸气式高超声速推进系统内流等复杂超声速流场中的预测精度,基于流动特征结构定向开展了激波和可压缩效应改进。通过激波/湍流边界层判别函数和可压缩效应判别函数定位标准SST模型参数或建模假设失效的区域,针对性地改进湍流模型。采用超声速平板边界层流动、超声速压缩拐角分离流动、超声速隔离段复杂激波串流动以及HIFiRE-2超声速内流等算例进行了测试,结果表明改进模型具有与标准SST模型一致的边界层预测能力,但显著提高了对激波干扰流动及逆压分离流的预测精度。

基于NPLS技术的可压缩湍流机理实验研究新进展

可压缩湍流机理的实验研究是一件难度很大的工作,其主要的难度在于高时空分辨率的可压缩湍流结构非接触精细测试技术和低噪声的高速风洞设备技术.近几年来,由于在低噪声的超声速、高超声速风洞研究和可压缩流动精细结构测量技术研究方面取得的重要进展及其在可压缩湍流机理研究方面的应用,超声速流动转捩与湍流的机理研究取得了较大的进展.本文介绍了最近几年高速流动非接触精细测试技术,尤其是基于纳米粒子的平面激光散射技术(nano-tracer planar laser scattering,NPLS)、背景导向纹影技术(background oriented schlieren,BOS)和超声速流场的粒子图像测速技术(particle image velocimetry,PIV)的研究进展和发展前景,以及基于这些技术,在可压缩湍流机理实验研究方面的进展和发展前景,其中包括在超声速混合层转捩、超声速绕流与尾流结构、超声速边界层转捩、激波边界层干扰等典型流场的机理研究方面,以及气动光学机理研究方面的研究进展.最后,展望了目前湍流机理实验研究对湍流工程模型研究的可能贡献.

离心压缩机模型级尺寸缩放对性能影响数值研究

选用流量系数分别为0.015 0、0.033 5、0.068 0和0.120 0的4组离心压缩机模型级为研究对象,几何缩放比尺分别选取0.78、1.00、1.89和2.67.采用数值方法对这些模型级进行计算,进而获得每个模型级的气动性能.同时,对流量系数为0.033 5和0.068 0两个模型级的计算结果与实验值进行对比,对计算精度进行了评价.综合4组模型级的计算结果,可以发现:几何相似放大后的模型级由于雷诺数增大,边界层流动改善,因而其气动性能比基准级提高了.相反,几何相似缩小后的模型级由于雷诺数减小,边界层相对变厚,黏性损失增加,因而其多变效率比大尺寸模型级降低了,但缩放后的模型级能头系数变化不大.在研究的流量系数范围内,流量系数越小,尺寸缩放对多变效率的影响就越显著.模型级尺寸放大后,其最大效率所对应的流量系数将向增大的方向偏移,比尺越大偏移越大,但偏移量较小.