EXPERIMENTAL AND NUMERICAL INVESTIGATIONS OF BOTH FLOW INDUCED CAVITY OSCILLATION AND ITS SUPPRESSION BY ACOUSTIC EXCITATION

Flow induced oscillation in a cavity and its suppression by means of acoustic excitation were studied both experimentally and numerically. In the experiment it was found that with the leading edge pure tone excitation at some frequencies and intensities. the flow-induced oscillation in the cavity could be greatly suppressed. Cavity flows both with and without acoustic excitation were studied by solving the 2-D time-dependent Reynolds averaged Navier Stokes equations using explicit predictor-corrector difference algorithm of MacCormack. Effects of turbulence were simulated via Cebeci-Smith turbulence mode with relaxation modification. The computational and experimental results are compared. and good agreement is obtained.

分流通道对台阶型篦齿封严性能影响研究

为提高涡轮级间篦齿的封严性能,设计了一种带分流通道的台阶型篦齿封严结构,研究了不同压比与转速下分流通道对篦齿封严泄漏特性和传热特性的影响规律,并与光滑篦齿进行对比。结果表明:在衬套上增设一个分流通道后,处于通道出口处的气流在离心力作用下被卷吸进通道,增强了篦齿的封严效果;分流通道的周向间隙率β越大,封严效果越佳,当周向间隙率β为3时,绝热壁面流量系数为13.47%,绝热壁面风阻温升为48.7 K;分流通道数量增加,篦齿的泄漏加剧;随着压比增加,密封泄漏量增大,分流通道可以引导核心射流回流,故泄漏量增速逐渐变缓而绝热壁面风阻温升增速加剧;当转速从3×10^(3)r/min增加到2.1×10^(4)r/min,气流摩擦耗散加剧,篦齿绝热壁面流量系数逐渐降低,绝热壁面风阻温升逐渐升高,分流通道对高转速下篦齿的封严效果提升显著。

微型摆式内燃机蜂窝密封设计及流场分析

微型摆式内燃机结构缩小后,泄漏明显增加,热效率显著下降。为改善其径向泄漏问题,提出了一种新型蜂窝密封结构,实现蜂窝与中心摆一体化设计,避免了传统蜂窝密封结构与基体分离安装的复杂性。利用数值方法比较蜂窝密封和光滑间隙密封对质量泄漏的影响规律,从而验证蜂窝密封设计的有效性。应用FLUENT软件分析微型摆式内燃机蜂窝参数变化对密封流场特性的影响,研究结果表明,当蜂窝壁厚小于0.2 mm或对边距小于1.2 mm时,随着结构参数增加,有利于蜂窝密封的封严特性实施;相反,蜂窝结构参数变化对密封流场压力的影响较小。

超临界二氧化碳迷宫密封内摩擦损失数值研究及流动特性分析

为厘清迷宫密封内摩擦损失的影响因素并建立摩擦系数预测模型,基于Vannini等搭建的迷宫密封实验装置,以超临界二氧化碳为工质,采用数值方法,探究了雷诺数、进出口压比以及间隙半径比对摩擦系数和泄漏特性的影响关系。结果表明:摩擦系数随雷诺数的增加而减小,随进出口压比的增加基本不变。泄漏量在雷诺数小于10^(4)时基本不变,但在大于10^(4)时随雷诺数的增大而减小,且泄漏量随进出口压比增大而增大。在不同工况条件下,摩擦系数和泄漏量随间隙半径比的增加而线性增大,但摩擦系数的斜率基本不变,泄漏量的斜率随进出口压比的增大而增大。当雷诺数较高、压比较低时,在密封的入口区域会存在尺寸较大的涡,这有利于泄漏量降低,但此时泄漏模型的预测精度有少许降低。当间隙半径比较小时,摩擦损失主要源于密封间隙内的流动;当间隙半径比较大时,流体与壁面的相互作用是摩擦损失产生的主要原因。最后,基于数值计算结果,提出了摩擦系数预测模型,并验证了该模型预测精度。研究结果将为提高超临界二氧化碳迷宫密封及透平机械的设计水平提供参考。

蜂窝面单齿迷宫密封泄漏特性试验和数值研究

蜂窝面单齿迷宫密封的泄漏特性和封严机理研究是其应用于透平机械动静间隙流动控制的基础。采用试验测量的方法研究了静止状态下不同压比(1.05~2)和密封间隙(0.6 mm、1.2 mm)的蜂窝面单齿迷宫密封的泄漏量。在此基础上,采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和SST k-ω湍流模型的方法分析了蜂窝面单齿迷宫密封的泄漏流动特性,同时开展了不同转速(0、1500、3000、6000 r/min)对其泄漏特性影响的研究。在试验工况范围内,数值模拟得到的泄漏量与试验值吻合,数值方法的准确性得到验证。研究表明:蜂窝面单齿迷宫密封的泄漏量随着压比的增大而增大,但泄漏量增加的趋势在减弱,蜂窝面单齿迷宫密封在大压比工况下具有良好的封严性能。密封泄漏系数随密封间隙增大而增加,最高增加了14%。在研究的转速工况范围内,转速对蜂窝面单齿迷宫密封泄漏量的影响可以忽略。研究工作可为蜂窝面单齿迷宫密封的性能分析和设计提供参考。

Power flows of three non-conservatively series-coupled oscillators, Part Ⅱ: Numerical analysis

The direct and indirect power flows among three non-conservatively series-coupled oscillators subjected to random forces have been investigated by the numerical method. The relationship between the power flows and the parameters of the oscillators and couplings have been studied. It is shown that the indirect power flow is caused by the resonant transmission between the indirectly coupled oscillators. Once the parameters of the oscillator elements have been settled, the indirect power flow is mainly determined by the coupling stiffness k3 and k4, and is less infiuenced by coupling dampings c3 and c4. The indirect power flow cannot be ignored in strong coupling conditions. Because of the resonant transmission between the indirectly coupled oscillators, the indirect power flow still cannot be neglected even if the coupling stiffness is relatively small and the coupling damping is relatively great

跨声速压气机泄漏流预测数值模拟

针对压气机试验过程中出现的一级转子前缘轮毂侧空腔泄漏问题,开展了基于多种封严篦齿以及封严空腔压力模型的数值模拟。结果表明,最大泄漏流量(供气端压力0.20MPa,齿端间隙1.00mm及篦齿数3的情况下)约为进口流量的1.8%,最高效率损失约为2.27%。封严篦齿两端封严腔的腔体效应对篦齿泄漏流量具有显著影响:随着篦齿封严齿端泄漏流量上升,齿端泄漏流速增大,泄漏流在出口腔体中呈射流状并迅速诱发腔体内的大尺度回流涡结构;泄漏至压气机的流量并不一定随篦齿齿端间隙的增大或封严两侧压力的上升而增加。

迷宫通道内部流动和泄漏特性的数值分析

求解非定常Ｎ－Ｓ方程，数值预测了深宽比Ｈ／Ｗ分别为０．１、０．３和０．５的单空腔直齿迷宫通道的内部流动，计算结果展示了流动结构的振荡及出口泄漏量下降和回升的波动。３种结构的密封效果优劣与泄漏量波动幅度大小相对应，其排列顺序是深宽比Ｈ／Ｗ分别为０．３、０．５和０．１的结构。还讨论了涡运动与涡合并、分离泡的迁移、射流的弯曲及对空腔壁面的冲击等复杂物理过程的内在联系，分析了射流冲击所产生的多种效应对增加能耗减小泄漏的作用。

高低齿迷宫式汽封泄漏流动特性研究

针对汽轮机高低齿迷宫式隔板汽封的复杂结构和轴的旋转效应,采用数值求解三维Navier-Stokes方程技术研究其泄漏流动特性。采用有限体积方法离散Navier-Stokes方程和标准k-ε两方程紊流模型封闭方程组。数值求解方法采用SIMPLE算法,迎风二阶格式求解对流项,迎风一阶格式求解扩散项。研究分析了在相同汽封轴向距离和汽封间隙条件下,三种不同齿数的高低齿迷宫式隔板汽封在不同压比下的泄漏流动特性,并计算了相应的量纲一流量系数。数值模拟结果证明了在相同压比和汽封轴向距离条件下齿数减小会造成泄漏量增加,在相同的齿数条件下,量纲一流量系数随着压比增加而增大。研究工作为工程设计高低齿迷宫式汽封提供了理论依据和技术支撑。

动叶围带顶部泄漏流动对透平级气动性能影响的数值研究

采用计算流体动力学软件CFX-TASCflow数值研究了带围带的动叶顶部间隙内泄漏流动对动叶流动效率以及下一级静叶进口气流角的影响特性。数值模拟了装有不同迷宫式汽封齿数时的动叶顶部间隙泄漏流动特性。揭示了泄漏流动不再是跨叶顶的横向流动,而是在叶顶间隙内沿着轴向流动。给出了动叶顶部间隙泄漏流场的结构,泄漏流与主流掺混后的流场对下游静叶性能的影响。研究结果表明泄漏流与动叶通道内的主流在动叶下游掺混后,改变了上半通道气流的流动方向,使这部分气流偏离设计工况,使下游静叶产生攻角损失。动叶顶部间隙泄漏流有较大的径向速度,在与主流掺混并进入动叶下游静叶后,会向着静叶中叶展处发展,改变静叶上半部流场的结构。动叶顶部间隙汽封齿数增多时这种效果就减小,静叶等熵效率的降低就越少,同时讨论了动叶顶部间隙泄漏流动对透平级气动性能的影响。

涡轮叶尖迷宫式密封对泄漏流场影响的数值模拟

采用基于密度修正的三维计算流体力学程序,结合雷诺应力湍流模型加壁面函数的方法,对某一轴流涡轮转子叶尖迷宫式密封对泄漏流场的影响进行了数值研究,分析了全叶冠密封和部分叶冠密封中的泄漏流场,并详细研究了迷宫密封采用的锯齿状肋条数目对密封效果的影响,最后计算了转子效率。结果表明:涡轮叶尖表面加叶冠对进行密封,可以显著提高涡轮效率,全叶冠密封下涡轮效率提高1.15301%,部分叶冠密封涡轮效率增加0.54713%;迷宫密封中锯齿状肋条数有一个最佳值,且在此锯齿状肋条数下进行迷宫密封涡轮效率相对无锯齿状肋条增加0.1%。

T型槽干气密封数值分析及槽型优化

应用UG软件对T型槽干气密封内流场进行了三维建模,同时运用Fluent软件对三维流场进行了数值模拟.首先对经典T型槽在相似工况下进行了分析,验证了仿真计算方法的正确性;然后运用本方法对T型槽槽型进行了优化,并与相关文献计算进行了对比,结果证明新槽型的开启力及泄漏量较经典T型槽皆有较大改善;最后对新槽型的相关几何参数进了优化分析,得出在不同操作参数下对应的最优值:在不同转速及压力变化条件下,优化槽型的α,β取值为40°~45°,槽深hg取值为4~6μm;在转速和压力不变的条件下,求得m取6 mm,n取12 mm较合适.

空腔倾向对泄漏影响的流动分析

给出了前倾斜腔、矩形空腔和后倾斜腔三种结构的四空腔迷宫密封实验结果。通过数值求解非定常Ｎ－Ｓ方程，预测了上述三种结构的单空腔迷宫通道的内部流动。计算结果表明：后倾斜腔结构内部是稳态流动，而对于前倾斜腔和矩形空腔结构，流动表现为总体结构的基本稳定和局部结构的不稳定，局部不稳定的强弱顺序依次是前倾斜腔、矩形空腔和后倾斜腔的迷宫结构。通过分析局部结构不稳定对减小泄漏的作用机制，说明不稳定效应的强弱是造成密封效果优劣的重要原因之一。

刷式-迷宫密封泄漏流动和转子动力特性数值研究

为评估刷式-迷宫密封的封严性能和偏心涡动时对转子安全稳定性的影响,采用基于涡动转子法和非线性Darcian多孔介质模型,建立了数值研究刷式-迷宫密封泄漏流动和转子动力特性的数学模型。研究了压比为1.96、3、4.49、6.9,进口预旋速度为-50、-30、0、30、50 m/s和4种转子自旋速度为3×10~3、7.5×10~3、1.5×10~4、2×10~4 r/min下刷式-迷宫密封泄漏流动特性和转子动力特性系数,并与传统迷宫密封进行了比较。研究结果表明:刷式-迷宫密封的泄漏量显著小于迷宫密封,在压比为6.9时,刷式-迷宫密封的有效间隙仅为迷宫密封的25.5%;刷式-迷宫密封的直接刚度随压比和进口预旋速度绝对值增大而增大,随转子自旋速度改变变化不明显;有效阻尼随进口预旋和转子自旋速度的升高而降低。刷丝束具有止旋作用,相比迷宫密封,刷式-迷宫密封的交叉刚度和有效阻尼对运行工况变化敏感度更低,且刷式-迷宫密封的直接刚度在研究工况范围内均大于迷宫密封,临界转速更高。在相同工况条件下,刷式-迷宫密封的封严性能显著优于迷宫密封,正向预旋速度较大或转子自旋速度较低时,刷式-迷宫密封有效阻尼大于迷宫密封,转子系统的稳定性更好。

高速旋转的汽轮机隔板密封内流体流动的模拟

采用数值求解粘性Navier-Stokes方程,研究考虑轴旋转效应的汽轮机高低齿迷宫式隔板密封内流体流动特性及其影响因素。采用有限体积方法离散控制方程,紊流模型采用标准k-ε两方程模型进行求解。数值模拟了三种齿间距下不同压比时的高低齿迷宫式隔板密封内部的流场特性,并且计算了相应的无量纲流量系数。计算结果揭示了隔板密封内由于环形腔室和高低齿的作用导致密封内流体的动能有效地耗散为热能,起到了密封的作用。研究结果表明:在相同的几何结构下,压比的增加导致密封泄漏量的减小;在相同的压比条件下,密封的泄漏量随着齿间距的减小而减小。

直通式迷宫密封的数值分析

对直通式迷宫密封的流场和泄漏量进行了分析。采用CFD方法,应用k-ε湍流模型,SIMPLE算法,计算了迷宫密封内的速度分布、压力分布及泄漏量。就旋转速度对低比压直通式迷宫密封泄漏量影响做了进一步的分析,对进一步理解迷宫密封的机理具有一定意义。

螺旋篦齿-刷式密封泄漏特性实验和数值研究

为探究刷丝束安装位置对螺旋篦齿-刷式密封泄漏流动特性的影响,基于多孔介质模型和计算流体动力学(CFD)技术,数值研究了刷丝束安装在螺旋篦齿上游或下游两种螺旋篦齿-刷式密封在不同压比(1~1.3)和转速(0~10000r/min)条件下的泄漏流动特性。同时,在压比为1~1.3和转速为0~2000r/min的条件下,实验测量了刷丝束安装在螺旋篦齿上游的密封泄漏流动特性。在实验工况范围内,数值模拟得到的泄漏量和腔室压力与实验值吻合良好。结果表明:泄漏气流主要经刷丝束与转子间隙流入下游;相比刷丝束安装在下游,刷丝束安装在上游时的泄漏量及其对转速变化的敏感度更小。螺旋篦齿和转子环形台阶沿轴向交错排列,导致周向静压分布不均和下游压力高于上游压力;两种密封转子面静态气流作用力的x轴分量方向相反,y轴分量方向也相反,且相比刷丝束安装在下游,刷丝束安装在上游时静态气流作用力的x轴分量绝对值更大,而y轴分量绝对值更小;静态气流作用力的绝对值随压比升高而显著升高,对转速变化不敏感。

锯齿型径向迷宫密封的数值研究

数值研究了锯齿型径向迷宫密封的密封性能 ,对密封的内部流场进行了有限元模拟 ,展示了节流间隙中有效通流宽度及泄漏介质通流速度随齿插入长度变化的规律 ,得到了不同齿插入长度时的密封性能 ,发现密封性能并不是随着齿插入长度的增加而单调增加 ,而是存在一个最佳的齿插入长度。最佳齿插入长度时 ,尽管此时的节流间隙较宽 ,但由于间隙中流动的强烈偏转 ,使实际的有效通流面积减小 ,泄漏介质在节流间隙中因而可以获得较大的速度 ,所以具有较好的密封性能。在较大间隙下实现良好的密封 ,对于迷宫密封具有非常重要的意义。

考虑氢气实际气体效应和阻塞流效应的螺旋槽干气密封动态特性分析

以Chen等提出的氢气实际气体状态方程描述氢气的实际气体行为,以气体出口速度达到音速作为产生阻塞效应的条件,确定出口压力边界条件,采用小扰动法分析了干气密封操作参数对螺旋槽干气密封动态特性的影响规律,并与理想气体、强制出口压力边界模型中的动态特性系数进行了对比。结果表明:研究高压螺旋槽干气密封的动态特性时应当考虑实际气体效应和阻塞流效应。两种效应使氢气螺旋槽干气密封的直接动态气膜刚度减小,使直接动态气膜阻尼增大。随着压缩数、进口压力的增大,两种效应对动态气膜刚度的影响逐渐增强。以频率比为变量时,两种效应主要影响气膜刚度,对气膜阻尼的影响作用较小。针对所研究的工况,与理想气体和强制压力出口边界条件相比,考虑实际气体效应和阻塞流效应,以压缩数为变量时,动态气膜阻尼(Czz、Cαα、Cαβ)的平均偏差分别为2.28%、1.93%、2.79%;以进口压力为变量时,3种气膜阻尼的平均偏差分别达到4.08%、2.07%、1.82%。

150MW汽轮机高压缸级内流场的数值模拟

采用Numeca软件对带隔板汽封和叶顶间隙汽封的高压缸二、三级叶栅流动进行了数值模拟,并与不带汽封的二、三级叶栅流场进行了比较.结果表明,汽封泄漏损失使级效率显著下降,汽封出口处的低能流体使端壁的附面层变厚,端壁摩擦损失增大;隔板汽封出口处的气体周向速度较小,导致了较大的负攻角流动,它与下排叶栅的横向流动相结合大大促进了下通道涡的发展.