预旋对燃气涡轮排气蜗壳气动性能影响的数值研究

采用数值求解三维RANS和Realizable k-ε湍流模型的方法对排气蜗壳进行计算,探究燃气涡轮末级叶片造成的进气预旋对排气蜗壳气动性能的影响。数值模拟的排气蜗壳静压恢复系数与实验数据吻合良好。文中研究模型的导叶轴向位置固定,通过改变导叶的偏转角获得排气蜗壳测量段不同的进气预旋,进而研究了7种进气预旋和6种进气流量下,支撑板与导叶在两种不同轴向间距下的排气蜗壳气动性能和流场特性。研究结果表明:在进气预旋为0.354 9时,排气涡壳的静压恢复系数达到最大值,这是进出口动压差和总压损失随进气预旋变化的综合结果;超过该进气预旋后,静压恢复系数迅速下降,这是由于此时在支撑板附近产生严重流动分离,总压损失急剧增加所导致;增加支撑板与导叶之间的轴向间距,在预旋小于0.354 9的工况下能够提高排气蜗壳的静压恢复系数,在预旋大于0.233 8的工况下能够减弱尾缘附近涡系结构,从而减小排气蜗壳的总压损失系数,但也会由于支撑板尾缘到出口距离缩短导致流动发展不充分,从而减弱排气蜗壳出口截面的流场均匀性;支撑板与导叶在两种轴向间距下,总压损失系数均随进气流量的增加呈现降低的趋势。研究工作可为燃气涡轮排气蜗壳设计提供参考。     

级环境下离心压气机扩压器叶片气动优化设计

在级环境下采用人工神经网络和遗传算法在对设计工况下的离心压气机扩压器叶片型线进行了优化,并采用数值方法对优化前、后离心压气机级的气动性能进行了对比分析.结果表明:在设计工况下,优化后的叶片扩压器静压恢复系数提高了11.7%,总压损失系数减少了21.12%,离心压气机级绝热等熵效率提高1.64%,达到了86.01%;非设计工况下离心压气机的气动性能也有显著改善;优化后离心压气机级在设计转速下喘振裕度有所提高,阻塞裕度略有降低.     

横向间距和截面形状对汽轮机切向进气蜗壳气动性能的影响

为了降低蜗壳总压损失并提高出口气流均匀性,对影响切向进汽蜗壳的气动特性和流场形态的因素进行了研究。采用数值方法求解了三维RANS方程和SST湍流模型,分析了横向间距和截面形状对汽轮机切向进气蜗壳气动性能的影响。数值模拟得到的部分切向进气蜗壳的质量流量和出口马赫数与实验测量数据一致,验证了数值方法的可靠性。对比分析了不同进口总压下5种切向进气蜗壳耦合静叶结构的气动性能参数和流场型态,结果表明:5种进气蜗壳耦合静叶结构的出口气流角基本不随进气总压的增加而改变;5种进气蜗壳耦合静叶结构的总压损失系数和质量流量会随着进气总压的增加而增加;进气蜗壳出口气流角随着横向间距的增加而增加,圆特征截面进气蜗壳出口气流角大于类多边形特征截面进气蜗壳的;随着横向间距的增加,5种进气蜗壳耦合静叶结构的蜗壳总压损失系数增加,静叶总压损失系数减小,进气蜗壳耦合静叶结构的总压损失系数先减小后增加;进气蜗壳截面形状对总压损失系数的影响明显大于横向间距的,类多边形特征截面蜗壳的总压损失系数明显大于圆特征截面蜗壳的;静叶出口气流角几乎不受横向间距和特征截面的影响;圆特征截面切向进气蜗壳耦合静叶结构具有最低的总压损失系数,圆特征截面完全切向进气蜗壳耦合静叶结构在蜗壳出口具有最佳的出口气流角周向分布均匀性。     

支板对燃气轮机排气蜗壳性能影响的数值研究

在进行燃气轮机排气蜗壳风洞实验时,为提高排气蜗壳的稳定性及安全性,通常在其进口前端引入支板来支撑壳体.通过数值仿真软件ANSYS CFX对引入支板结构前后的两种流场进行数值研究,分析不同截面总压损失系数及流线分布规律,获得两种流动特性的对比结果.结果表明,在蜗壳进口前增设支板结构对排气蜗壳气动性能无显著影响,可通过实验获得排气蜗壳相应气动性能参数.     

汽轮机切向进气蜗壳气动性能研究

采用实验测量和数值模拟的方法,研究了单独切向进气蜗壳和切向进气蜗壳耦合静叶结构的气动性能和流场特性。实验测量了3种出口马赫数下的单独切向进气蜗壳和4种进出口压比下的切向进气蜗壳耦合静叶结构的总压损失系数、出口气流角、质量流量。采用数值求解三维RANS和SST湍流模型分析了实验测量的切向进气蜗壳的流场形态。数值模拟得到的气动参数值与实验值吻合良好,验证了数值方法的可靠性。结果表明:单独切向进气蜗壳与切向进气蜗壳耦合静叶结构的出口气流角的分布与大小基本上不随进气总压的增加而改变,出口气流角在152.0°左右,切向进气蜗壳耦合静叶结构的出口气流角在166.6°左右;与单独切向进气蜗壳相比,切向进气蜗壳耦合静叶结构的出口气流角沿周向的分布更为均匀;单独切向进气蜗壳和切向进气蜗壳耦合静叶结构的总压损失系数和质量流量随着进气总压的增加而增加,单独切向进气蜗壳的总压损失系数由0.73%增加到1.64%,切向进气蜗壳耦合静叶结构的总压损失系数由0.82%增加到2.66%。研究工作可为汽轮机切向进气蜗壳的设计和性能分析提供参考。     

带盖板预旋系统流动与温降特性的数值模拟

为了研究带盖板预旋系统的流动与温降特性,对不同喷嘴角度和不同转速(工况)下的预旋结构模型进行了数值模拟。在相同进气条件下,研究了有无预旋结构和不同喷嘴角度下的盘腔流动与温降特性,分析了旋转雷诺数对系统流动情况和温降效果的影响。结果表明：预旋结构在盖板腔内产生的漩涡增强了盘腔的流动,相比于无预旋结构,其盖板腔压力和系统出口总温明显降低;随着喷嘴角度的增大,盘腔总温和静压均增大,温降效果变差;随着旋转雷系诺数的增大,无量纲质量流量增大,无量纲温降和总压损失系数均减小;预旋角由50°减少到30°时,系统无量纲温降增加了23.7%。     

叶片前缘造型对压气机平面叶栅气动特性的影响

为探究叶片前缘造型对压气机平面叶栅气动性能的影响规律,基于Fluent软件,采用一种径向参数造型方法对轴流压气机DMU37动叶根部5%叶高平面叶栅进行前缘改型,分析不同冲角下造型参数变化对叶栅流场气动性能的影响规律.结果表明:切削后的叶栅流场出口截面质量平均的总压损失系数变大,但较小切削深度使可计算正冲角范围扩大2°;在0°及正冲角时,切削后的叶栅静压比提高,端部区域低能流体向叶高中间位置迁移,端部区域总压损失变小;切削后的叶栅流场损失特性变化开始于前缘附近,进而影响整个流道,证明前缘对整个流场气动特性变化具有重要作用,为进一步探索前缘造型方法提供了参考方向.     

船用燃气轮机进气系统气动特性

为研究某新型船用燃气轮机进气系统的气动特性,探究该进气系统的设计合理性,在自主设计的实验台上完成设计工况的实验研究,进行气动参数的采集,并利用仿真软件ANSYS CFX对该工况进行计算并获得更为详细的内部流场,分析各截面上总压损失分布及流阻特性.结果表明,实验和数值结果基本一致,在设计工况下,该进气系统内部流场主流区流动平稳均匀,各部分总压损失分配合理,进气系统整体总压损失为1242.17 Pa,阻力系数为21.30,出口均匀系数为0.9989,气动阻力较低,具有良好的气动特性.     

发动机喷流影响低速风洞试验研究

引射模拟器是一种经济方便的动力模拟试验装置,可以模拟排气影响并部分模拟进气影响,本文使用引射模拟器,研究了不同工况下翼吊发动机喷流对翼身组合体巡航、起飞、着陆等构型低速气动特性的影响。试验表明喷流对巡航构型带来升力损失,起飞构型升力影响较小,着陆构型升力增加较明显,所有构型都出现了阻力和低头力矩增量。     

叶表静压孔对平面叶栅性能的影响

为研究某压气机叶栅试验过程中静压孔导致栅后损失增大原因,通过试验校核CFD方法,研究了叶片表面静压孔对叶栅性能的影响,结果表明：叶片表面静压孔影响了近壁面流场形态,静压测量偏差达到2%,气流在静压孔内形成旋涡,随着旋涡强度增大,有旋气流的生成与脱落对流体产生扰动,使得叶片表面阻力增大,附面层增厚,栅后总压损失加大,φ1.0mm静压孔导致栅后总压损失平均值增大了30%,相比之下,静压孔对气流角的影响较小。     

排气三通管道分散流流动特性的数值模拟及分析

为减小排气T型三通管道中的局部压力损失,利用FLUENT软件对其分散流动特性进行数值模拟,分析支管与总管流通截面积比、夹角、质量流量比及流体温度对管道总压损失系数的影响规律。结果表明:总管流速和气体温度对总压损失系数影响不大,支管与总管质量流量比却对总压损失系数影响显著;分支管与总管夹角、分支管与总管流通截面比对总管-通支管总压损失系数的影响不明显,但对总管-分支管总压损失系数的影响显著。通过数值模拟和分析建议T型三通管推荐结构为分支管与总管夹角α=45°,分支管与总管流通截面比A3/A1的适宜范围为0.8~1。数值模拟结果与前人研究及试验结果比对,趋势一致,计算精度较高,可为类似汽车排气分流技术开发提供依据。     

进气畸变对大涵道比发动机压气机中介机匣性能的影响

大涵道比涡扇发动机中的压气机中介机匣内存在流动分离,由此造成的损失和出口流场畸变对航空发动机的性能有重要影响。通过根部安装20%高度的扰流器以模拟径向进气畸变,对一台大涵道比涡扇发动机的压气机中介机匣开展了畸变影响气动性能的实验研究。实验结果表明：进气畸变导致进口截面的总压恢复和损失系数相较于均匀进气分别下降了0.684%和增加了9.74%;总压和和总温在通道整体高度40%以下区域亏损严重;在出口截面,进气畸变导致总压波动幅度大且40%高度以下存在低压区;出口总温由于气流的掺混明显高于均匀进气条件,出口速度明显降低。畸变气流通过中介机匣后,总温和总压分布较进口的畸变度下降且分布更加均匀;相较于进口畸变总压约30%的波动量,在出口处已经减小到了约10%。可见中介机匣对进口径向畸变沿流向的发展有明显改善作用。     

排汽缸全局气动优化及设计知识挖掘方法

为了提高排汽缸的气动性能,探索排汽缸的设计规律,耦合基于子元模型的全局优化算法、三阶贝塞尔曲线的三维排汽缸参数化方法、RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes)方程求解方法与基于总变差分析的数据挖掘技术,提出了健壮高效的排汽缸设计优化与知识挖掘方法。在考虑末级叶片和排汽缸之间相互作用的基础上,选取静压恢复系数最大为目标函数,对低压排汽缸进行了设计优化与知识挖掘。优化得到的排汽缸静压恢复系数从0.165提高到了0.516。采用基于总变差分析的数据挖掘技术并结合排汽缸气动性能分析,阐明了设计变量与目标函数之间的相互影响机制。研究结果表明:扩压器出口宽度、排汽缸外缸宽度、外导流环高度和外导流环出口角度对排汽缸气动性能有显著影响。所建立的排汽缸优化设计方法和知识挖掘技术为高性能排汽缸设计提供了工具。     

环形混合器混合排气系统气动形面的优化设计

以B样条曲线为基础、采用计算流体力学方法,并结合改进的粒子群优化算法,提出了一套环形混合排气系统喷管型线与环形混合器径向位置的一体化优化设计方法,并采用该方法对某型使用中的环形混合器混合排气系统进行了优化设计.优化结果表明,较之原始模型,优化后的环形混合器混合排气系统在流量分配方面与设计值更为接近,涵道比的误差为2.8%.气动性能方面,设计条件下,优化模型推力为原始模型的1.061倍,总压恢复系数则提升至0.995;在非设计条件下,优化模型的总压恢复系数较原始模型提高了0.7%和0.4%,推力较原始模型提高了1.2%和2.7%.     

径流式涡轮排气扩压器流动性能模拟研究

本文研究了径流式涡轮排气扩压器特性对涡轮增压器与中速柴油机匹配性能的影响。在研究过程中，假定排气扩压器的气流为一元准稳定不可压缩气流，试验装置采用压缩气源供气。根据相似理论模拟中速柴油机排气的气流状态进行内壁为直线型面（定为Ａ型）及内壁为曲线型面（定为Ｂ型）这两种型面的扩压器模拟试验。计算和试验结果表明：（１）不论Ａ型或Ｂ型排气扩压器都能改善径流式涡轮的性能，从而提高涡轮效率及涡轮增压器总效率；（２）当扩张角较大时，Ｂ型扩压器因有较高的扩压器效率及压力恢复系数，其性能优于Ａ型扩压器，这将更有利于改善涡轮增压器与中速柴油机的匹配性能。     

环形中心钝体驻涡燃烧室后钝体进气位置研究

采用Fluent软件对驻涡腔不同后钝体进气位置时冷态条件下环形中心钝体驻涡燃烧室流场进行数值研究.详细分析了不同后钝体进气位置时,环形中心钝体驻涡燃烧室典型截面的压力与流线分布,并对不同后钝体进气位置时驻涡腔内的流线、平均速度、平均静压以及燃烧室总压损失系数的变化规律进行比较.结果表明:不同后钝体进气位置时,驻涡腔内均形成了4个旋涡,但驻涡腔内旋涡的大小、形状和位置略有不同;在各个后钝体进气位置时,驻涡腔内的平均速度随后钝体进气位置向驻涡腔外侧偏移逐渐减小,平均静压、平均湍流度逐渐增大;燃烧室出口总压损失在后钝体进气位置为1.5时出现最小值,在后钝体进气位置为0.75时其次,其值为0.0799;燃烧室出口总压和出口气流速度沿径向随后钝体进气位置改变变化不大.     

进口导叶与叶片扩压器匹配的实验研究

对扩压器进口不同安装角和进口导叶不同预旋角匹配下离心压缩机的性能进行了实验研究.研究表明:扩压器进口安装角最小值为7°时,压缩机性能对进口导叶预旋角不敏感;采用不同的扩压器进口安装角和不同进口导叶预旋角匹配调节时,压缩机所能达到的最高效率为86.0%,比单独调节进口导叶预旋角或扩压器进口安装角所能达到的效率高2%.效率提高的潜能可通过自由选择匹配的方式来加以实现.     

低压排汽缸气动优化设计

结合三阶贝齐尔曲线参数化方法、静压恢复系数评价方法、拉丁立方试验设计、三阶响应面近似模型及Hooke-Jeeves直接搜索算法的组合优化策略,基于iSight优化软件平台,建立了排汽缸外导流环优化设计系统。以静压恢复系数最大为目标完成了单独排汽缸优化设计,采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程的方法验证了耦合低压末级和排汽缸结构的排汽缸优化设计系统的有效性。结果表明,基于优化设计系统进行的优化设计,使得排汽缸静压恢复系数相对于初始排汽缸提高了61.1%,排汽缸蜗壳内的静压损失明显减小,从而验证了排汽缸优化设计的有效性和耦合低压末级对排汽缸气动性能分析的必要性。     

APU进气管道口尺寸比例对进气性能影响研究

本文对民用飞机辅助动力装置(APU)进气系统等面积进气口不同长宽比(以航向为长,周向为宽)对APU进气性能影响进行研究,合理简化处理进气系统模型和飞机尾锥几何模型,并生成结构化网格,设定合理的边界条件,得出其对APU进气性能的影响。研究表明:无论是在地面还是空中飞行的等流量状态下,与进气管道出口尺寸比例接近的进气管道进口总压损失最小,出口处的平均总压最高,冲压恢复也最高,随着进气管道进口尺寸比例不断增大,与进气管道出口形状差异增加,总压损失也不断增加,出口处的平均总压越低,冲压恢复也不断减小。     

三通道旋流冷却流动与传热性能

针对雷诺数为40 000下涡轮叶片内部三通道旋流冷却结构进行瞬态热色液晶实验与数值模拟研究,并与普通转折通道进行比较分析.通过瞬态实验获得壁面高精度的努塞尔数分布与通道的沿程压力损失,结合数值计算结果得到如下结论:旋流通道显著增强了系统的换热能力与换热均匀性,第2、第3流程的壁面平均努塞尔数比普通转折通道分别提升了60%、57%;转折位置的冲击损失与节流损失是三通道结构的主要压力损失;旋流通道的全通道压力系数约为普通转折通道的3倍,且随着雷诺数的增大有增大的趋势;数值计算显示旋流通道内总压损失比静压损失减少了25%,使用总压分析沿程压力系数更为合理.