非轴对称静叶对跨声速风扇流场影响的数值研究

为研究非轴对称静叶应用于风扇/压气机中提高畸变条件下工作性能和稳定性的可行性,设计一种非轴对称静叶结构,并将其应用于某单级风扇.通过对均匀进口条件下原型风扇和非轴对称风扇流场进行求解,得到两型风扇的特性曲线,并对两型风扇在设计点工况下流场进行对比分析.结果表明:非轴对称风扇效率在最高效率点附近要高于轴对称风扇,但其稳定工作范围明显小于轴对称风扇;采用非轴对称静叶会增加动叶内的非定常扰动,使工作稳定性下降;非轴对称静叶区域内的角区分离得到明显抑制,流场得到改善.     

非轴对称弯掠静叶对畸变流场影响的数值研究

为探究非轴对称弯掠静叶在压气机中应用的可行性以及弯掠静叶参数对畸变流场的改善效果,以扇形叶栅试验件为研究对象,采用计算数值模拟方法,研究非轴对称弯掠静叶几何参数对畸变流场的影响.在受进口畸变影响较为严重的位置,设置正弯、反弯、前掠、后掠静叶,构成不同非轴对称静叶造型方案,探究其对静叶流场的改善.结果表明:最佳反弯方案Nbow-0.5-10可使流场损失减小2.75%;前掠对于根部损失可起到较好的抑制作用;后掠对根部损失改善效果略逊于前掠,但有利于减小主流区的损失.     

某多级压气机畸变传递过程中相关参数影响研究

进口畸变是诱发航空压气机内部流动失稳的关键因素,极大地限制了压气机的性能及稳定运行范围.在畸变条件下采用数值模拟及模型分析相结合的方法,建立了一个模型,以某型三级压气机为研究对象,研究畸变传递过程中相关参数影响,计算了畸变强度和畸变范围沿压气机轴向的分布情况.结果表明在进口总压畸变相同的条件下,转速越小,压气机出口畸变强度越小,出口总压分布相对较均匀,出口畸变范围也越小;总压总温畸变,进口畸变范围越大,压气机出口畸变强度越大.不论是总压畸变还是总温畸变,对于该三级压气机,径向畸变的衰减程度比周向畸变衰减程度大.     

轴流压气机进口总压畸变的端区流动响应数值研究

为了探究进口周向总压畸变对压气机性能的影响,以及不同畸变角下压气机端区流场对畸变响应的区别,对跨声速轴流压气机一级动静叶进行全周非定常数值模拟,分别采用均匀来流,畸变角为30°、90°和120°的畸变来流这4种进口条件。进口畸变使压气机的性能明显恶化,并且随着畸变角的增大恶化加剧。畸变角为120°时,随着动叶扫过畸变区,动叶叶顶区域激波的结构和强度发生改变,叶顶间隙泄漏涡的轨迹和强度也发生周期性变化。畸变也会对下游静叶流动产生影响,使静叶叶顶和角区分离加重。当畸变角为90°时,所影响的动叶流道数减少但流场对畸变的响应规律没变。当畸变角减小到30°时,畸变经过动叶完全衰减,静叶流场几乎不受影响。研究结果揭示了压气机性能改变和叶顶、叶根端区流动结构动态特征与畸变来流间的关系,可为提高压气机抗畸变能力提供理论基础。     

端壁造型抑制角区失速的数值研究

针对跨音压气机的静叶角区分离导致失速这一流动现象,开展了端壁造型的研究.提出了与角区堵塞量相关联的轴对称与非轴对称端壁造型方法,通过数值模拟验证了此造型方法能够抑制角区分离.研究结果表明,轴对称造型方法使总压恢复系数比原型提高0.5%,而仅在吸力面侧凹曲率所形成的非轴对称造型方法,能够对角区堵塞起到较大程度的抑制,效果明显好于Rose提出的正弦函数非轴对称端壁造型.     

变工况情形下离心式压气机无叶扩压器与蜗壳非轴对称流场的计算与分析

本文从径流式叶轮机械蜗壳的非轴对称流场原理出发,研究离心压气机蜗壳在变工况时非轴对称流场的特性.本文是“离心式压气机扩压器与蜗壳非轴对称流场的计算与分析”一文的继续.在本文中,进一步研宄了蜗壳舌部在变工况时对蜗壳非轴对称流场的显著影响.计算与实验结果表明,由于考虑了舌部的影响,使论文中提出的方法在相当大的变工况范围也能得出相当满意的结果,为研究压气机叶轮在变工况时的特性提供了依据.     

进口导流叶排角度对轴流压气机总压畸变的影响

对某三级轴流压气机,利用三维欧拉方程建立模型,采用体积力法进行计算仿真。研究分析IGV(进口导流叶排)对压气机进气畸变的影响,以及设计转速状态下改善畸变效果最好的IGV角度。计算结果表明：IGV可以有效改善流场品质,使压气机各截面的畸变参数都有所减小,例如三级转子进口的畸变角度降低了21.4％,畸变强度降低了10.2％；IGV起到了很好的整流作用,表现出了显著的减小畸变程度的能力；随着IGV角度的增加,畸变强度随之降低,当IGV角度达到临界值后畸变强度反而开始增大；设计转速下,IGV临界角度为45°左右,在此角度下改善畸变的效果最好。     

端壁造型抑制角区失速的数值研究

针对跨音压气机的静叶角区分离导致失速这一流动现象,开展了端壁造型的研究．提出了与角区堵塞量相关联的轴对称与非轴对称端壁造型方法,通过数值模拟验证了此造型方法能够抑制角区分离．研究结果表明,轴对称造型方法使总压恢复系数比原型提高0．5％,而仅在吸力面侧凹曲率所形成的非轴对称造型方法,能够对角区堵塞起到较大程度的抑制,效果明显好于Rose提出的正弦函数非轴对称端壁造型．     

非轴对称端壁透平级气动性能的数值研究

采用双控制型线方法对高负荷低展弦比透平级完成了非轴对称端壁造型设计;采用RANS方程和考虑转捩模型的SST紊流模型对轴对称端壁透平级和非轴对称端壁透平级进行了气动性能的分析和对比.结果表明:非轴对称端壁造型设计方法通过降低周向压力梯度减小了透平级的二次流损失,提高了透平级效率达0.16％;静叶流场的变化引起了动叶进口条件的改变,从而导致动叶进口压力和反动度增大.     

离心式压气机扩压器与蜗壳非轴对称流场的计算与分析

本文研究压气机的扩压器和蜗壳在偏离计算工况或由于蜗壳型线设计不当时,扩压器和蜗壳的非轴对称流动对压气机特性的影响,文章对蜗轮增压器的压气机用有限面积时间推进法和流线曲率法进行扩压器和蜗壳的流场计算,并与实验作了比较。在实用上,所述方法能用于改善现有离心式压气机中叶轮与蜗壳的匹配,从而提高其性能。     

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.     

TC2Mδ1.5钛板翻边成形极限及非轴对称畸变的研究

为研究各向异性对圆孔翻边成形的影响,用TC2Mδ1.5 mm钛合金圆板料在室温及600℃高温条件下分别进行了圆孔翻边试验.结果发现,除翻边底孔尺寸小于极限值时在唇口边缘发生破裂的正常失效方式之外,冷翻边制件卸载后发生了凸缘平面翘曲、翻边孔口部椭圆化、唇口边缘高度不一致、壁厚分布不均匀等非轴对称畸变现象.高温热翻边成形有效地提高了成形极限,并消除了凸缘平面翘曲和口部椭圆化,但口部高差以及壁厚不均等现象依然存在.本文在给出极限翻边系数结论的同时,对非轴对称畸变现象进行了定量描述、分析与解释.     

整体涡旋流畸变下的压气机失速机理分析

为了研究跨声速压气机在整体涡旋流畸变下的失速机理,采用数值仿真方法对Stage35进行了整级数值模拟,研究了叶片通道流场中触发压气机失速的关键因素,分析了不同转速下,叶顶泄漏涡和径向涡在旋流畸变条件下的变化情况。结果表明:同向整体涡能抑制叶背流动分离,使径向涡体积减小,叶顶泄漏涡减弱,叶顶通道堵塞程度减小,压气机稳定裕度增大;出现反向整体涡时,叶背气流分离加剧,径向涡体积扩大,低转速下,泄漏涡增强,堵塞区面积增大,高转速下,泄漏涡变化不大,但径向涡体积扩大引起流体向叶尖堆积,形成大面积的吸力面尾缘低速区,更容易导致压气机失稳。     

某型航空发动机对插板式进气畸变的响应

为得到较为准确的发动机对进气畸变的稳定性响应模型,首先分析了由实验所得到的某型航空涡扇发动机进口扰流插板产生的稳态总压畸变和紊流分布。相对于压气机转子进口,将周向分布的稳态总压畸变和截面脉动压力处理成为一组不同频率的压力激励波形分布。通过频谱分析得到:在发动机失稳前,稳态畸变形成的波形频率最低,幅值最大,是引起发动机失稳的主要原因。对该组合畸变激励波用一阶响应模型进行动态修正并使用平行压气机分析模型,得到了经修正的压气机喘振边界和得到改善的发动机进气畸变响应模型。最后分别计算了高、低压压气机逐步失稳的工作点移动过程。结果表明:与压气机出口实验失稳波形十分接近,该模型准确可行。     

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。     

非均匀栅距对压气机转子-静子气动干涉噪声的影响

根据Lighthill气动声学理论,推导出非均匀栅距结构下压气机转子-静子气动干涉噪声频谱公式。研究的叶栅结构为带进口导叶的单级三排叶栅,其中动叶栅距不变,而导叶和静叶栅距均采用非均匀栅距。计算了各种叶栅结构下转子-静子气动干涉噪声的大小。对不同叶栅结构的计算分析表明：在导叶和静叶采用一定的非均匀栅距组合型式下,在保证压气机级气动性能变化不大的同时,转子-静子干涉噪声能够得到降低。     

静叶叶顶部分间隙高度对压气机性能影响的数值研究

通过CFD数值模拟方法,对近失速工况下跨音速压气机静叶叶顶前部开设不同高度间隙改型进行研究,分别讨论压气机静叶叶顶前部设置50%弦长,不同高度间隙对静叶气动性能的影响.研究结果表明:在近失速工况下,由叶顶间隙产生的泄漏流可吹离吸力面和角区内的低能流体,抑制吸力面分离,减轻流道堵塞,使静叶流道内通流能力增强,扩压能力得到提升,提高了叶片的加载能力.但在设计工况下,泄露流增加了流动损失,导致效率降低.静叶叶顶前缘间隙高度对压气机性能影响较大,随着间隙的增加,泄漏流量增大,泄漏涡影响范围变大,损失增加;而间隙过小,产生的泄漏流对角区分离的抑制效果不明显,因此,存在一个最佳间隙值.     

某单级压气机对组合畸变响应特性的数值模拟

发动机压缩系统的气动稳定性主要取决于飞行时发动机抗畸变的能力.畸变主要来自发动机进口的总压、总温及其组合畸变.它们在数量关系上不确定,在地面又很难模拟实现.采用数值计算方法,从理论上定量地研究组合畸变在压气机中的响应特性,通过建立某单级压气机三维模型,并采用无限叶片假设和用体积力模化叶栅特性的方法进行简化求解三维非定常欧拉方程,研究了总压与总温的组合畸变在某单级压气机中的传递过程.计算结果表明:组合畸变经过转子时总压畸变强度和总温畸变强度明显大于单独作用时的畸变强度,分别增大了13%和13.5%,但畸变范围基本没有变化.     

大涵道比风扇角区失速模化设计及非轴优化

为研究非轴对称端壁造型对大涵道比风扇角区失速流动的改善作用,对某风扇进行了平面叶栅模化设计及非轴对称端壁优化。采用数值模拟方法,以风扇根部叶型为基础进行模化设计;在此基础上,采用两种不同的控制点分布方法对平面叶栅进行非轴对称端壁优化改型。研究结果表明:模化后的平面叶栅角区失速流动及叶片加载特点与风扇原型基本一致;采用自由曲面及类两面角曲面两种非轴造型对平面叶栅角区进行优化,叶栅总压损失系数分别降低了4.57%和5.38%;将流场改善效果较好的类两面角曲面造型应用于风扇原型角区,结果表明该造型使得风扇效率提高了0.441%,角区失速现象也得到了有效的抑制。深入的流场分析表明,类两面角曲面的非轴对称端壁造型,沿流向能有效推迟压气机平面叶栅通道涡向吸力面的发展,沿径向通过使涡结构上移减弱在端壁附近吸力面附面层和通道涡的相互作用;与此同时,对大涵道比风扇原型的角区失速流动也能起到较好控制效果。     

涡旋流动中轴对称和非轴对称扰动的相互作用

本文研究涡旋流动中轴对称和非轴对称扰动的相互作用。在无粘、不可压涡旋流动中引进轴对称和非轴对称扰动,将扰动速度展开成傅立叶级数,代入到无粘、不可压流基本方程组中,使用多重尺度摄动方法,获得轴对称和非轴对称弱非线性扰动波振幅的调幅过程所满足的联立方程组。数值计算表明,在满足轴对称扰动和非轴对称扰动耦合的条件下,可以得到具有孤立子性质的轴对称扰动和非轴对称扰动。最后简要地从能量观点讨论了轴对称和非轴对称扰动的干扰机理。