轴流压气机三维流场数值模拟

使用商业软件Numeca对某型轴流压气机进行三维数值模拟计算,采用Spalart-Allmaras湍流模型,运用隐式残差光顺法、多重网格法以及当地时间步长加速收敛技术缩短计算周期,得出了设计转速下的特性曲线,在此基础上进一步改变压气机出口参数来分析压气机叶轮发生失速喘振的原因,这对防止压气机失稳非常重要.然后对压气机内部流场进行了详细分析,得出了轴流压气机转子内部的流动参数分布规律,并指出造成压气机效率及压比损失的原因.     

高负荷轴流式电辅助增压器的初步设计与性能研究

为解决增压发动机涡轮迟滞效应所带来的环境和操纵性问题,从实际使用角度出发,参考国内外的设计技术标准,采用轴流压气机的形式,为大功率发动机设计了一款在设计工况点流量为0.53 kg/s、总压比为1.3、等熵效率为86.95%的电辅助增压器.通过全三维数值模拟方法,对电辅助增压器的性能进行计算,得到流场细节和设计转速下的性能曲线,并对设计工况点和近失速工况点的流动状态和造成流动损失的原因进行分析.     

多级轴流压气机嵌入级的试验与数值模拟

针对多级轴流压气机中复杂流场在数值模拟时存在计算精度的问题,以四级低速大尺寸轴流压气机为试验平台开展测试研究,并选取第三级带悬臂静叶的嵌入级,进行了与试验同一设计流量工况点的多通道定常和非定常数值模拟.试验与数值模拟结果对比研究表明,气流经过转静交接面时由于掺混损失造成总压降低;转静交接面对非定常计算得到的绝对气流角的...     

轴流压气机低速模化设计的叶片造型

为了提高航空发动机高压压气机的气动性能,需要对高速压气机进行低速模化设计以开展试验研究.选取高压压气机后面级作为研究对象,给出了高压压气机低速模化设计的相似准则和模化设计流程,为低速模化设计提供了可以借鉴的准则.针对高速原型压气机设计工况点,制定模化设计目标,完成几何变换、通流设计、叶片造型及数值模拟.重点研究了叶片造型模化相似技术,在叶片造型设计上突破了几何相似的限制,通过三维积叠造型的设计方法保证了高低速压气机气动参数的相似性.研究为轴流压气机低速模化设计的叶片造型提供了可以借鉴的方法.     

轴流压气机可调静子叶片间隙泄漏流数值研究

为了探究轴流压气机前面级可调静子叶片部分间隙泄漏流对压气机性能和流场的影响,通过数值方法模拟某轴流压气机带有可调静子叶片的前面级1.5级流场,并详细分析了部分间隙泄漏流特征。数值仿真结果表明,相较带容腔原型算例,部分间隙使得压气机特性线往左下方偏移,设计点效率降低0.12%,近失速点效率降低1.83%,但喘振裕度提升6.4%;可见受到部分间隙泄漏流影响,静子叶片根部出口气流角明显增加;部分间隙泄漏流可以给吸力面根部角区低能流体充能,降低设计点端壁处的损失,降低近失速点吸力面分离涡的强度,提升喘振裕度;根部部分间隙造成叶片根部做功能力降低,但影响范围控制在5%叶高以内;部分间隙造成静子根部流场发生改变,使得设计工况点静子根部产生一条附着线,并形成闭式分离。     

基于压气机三维彻体力模型的叶尖射流扩稳方法

为了分析转子叶尖射流对多级轴流压气机的扩稳作用，发展了轴流式压气机三维黏性彻体力模型，通过对ANSYS CFX 软件的二次开发，求解带动量源项和能量源项的N-S（Navier-Stokes）方程，实现了无叶片条件下的压气机全通道数值模拟。基于模型计算的Stage 35单级压气机压比特性与实验数据误差不大于0.8%，判断的失稳点流量比实验值大1.2%，对端壁边界层流动能够准确模拟。基于模型计算了无射流和有射流条件下的多级压气机特性和失稳边界，并分析了叶尖射流扩稳机理。结果表明，模型能够模拟叶尖射流对多级压气机的扩稳作用，在100%设计转速下，4.6%的设计点流量的射流流量带来了7.06%的稳定裕度增加，射流能够消除叶尖区域的堵塞流动，从而扩大了压气机的稳定工作裕度。     

跨音速压气机间隙流与处理机匣相互作用分析

基于对压气机转子顶部间隙泄漏流的深刻认识，针对某跨音速轴流压气机转子，设计了一种新型的处理机匣结构，并对带处理机匣的压气机转子内部流动进行了全三维非定常数值模拟，数值计算所获得的总性能（实壁）与试验结果符合较好．该种新型处理机匣结构的引入能在不降低压气机设计点效率的前提下有效地提高压气机的失速裕度．对处理机匣与顶部间隙泄漏流之间的相互作用机制进行了详细分析．结果表明：处理机匣结构能抑制间隙泄漏涡破裂现象的发生，并将间隙泄漏涡破裂后导致的阻塞区抽吸进入处理槽，从而有效地提高了跨音速压气机的失速裕度．     

氦气压气机叶型气动特性研究

以高温气冷堆氦气轴流压气机叶型气动特性为研究对象,结合优化算法与现代流场模拟技术研究了氦气压气机叶型的设计特点和损失特性。数值模拟采用SST湍流模型和γ-Reθ转捩模型,考虑了氦气附面层转捩对叶型损失的影响。对比低速空气压气机叶型和CDA叶型,研究了具有低损失和宽广工作范围的氦气压气机叶片表面压力分布特点及其附面层发展特点。研究结果表明,优化叶型在保持设计工况下损失基本不变的情况,大幅度地增加了氦气叶型的低损失攻角范围,并减小了不同攻角时叶型的落后角。优化叶型在正攻角情况下,附面层转捩显著推迟,氦气压气机叶型损失得到有效控制。     

下游部件对压气机性能影响的分析

采用流线曲率法对一台三级轴流压气机在三种不同出口流道情况下的流场进行了分析，在变工况计算中还以设计点数据为依据应用了“流场诊断”技术。分析表明，压气机的外特性——压比和效率随流量的变化关系及喘振边界——受到了下游部件结构比较严重的影响，内部流场所受的影响在末级叶片上特别显著。这可归结为出口流场径向畸变的影响。从本质上看，它比入口流场畸变问题更难解决。     

基于弯掠参数控制的压气机动叶优化设计

通过数值模拟方法对NASA Stage35单级轴流压气机原型性能进行计算,选取合理的Bezier和B样条拟合曲线控制点个数来完成压气机动叶参数化拟合,获得参数化叶型.基于人工神经网络和遗传算法相结合的优化设计体系,通过控制叶片的弯掠特性参数对动叶进行寻优计算,最终提高压气机绝热效率.对比发现,对动叶的弯掠特性进行优化可以改变激波位置,减小叶片表面附面层的分离区,优化流场通道内的流动结构,减少流动损失,从而有效提高压气机的绝热效率.     

基于四象限法的跨声速压气机非设计点损失分析

基于流线曲率法发展了一种适用于跨声速压气机性能预测的高精度模型,对最小损失攻角及非设计点损失预测模型进行了修正.提出了一种非设计点损失分析方法——四象限法,结合该方法对跨声速压气机的损失构成进行了重新定义,对不同工况的损失特点开展了深入分析,在一定程度上揭示了跨声速压气机的损失分布和增长规律.采用新发展的模型对某高负荷跨声速转子进行了详细的计算,并与实验数据进行对比.结果表明,发展的性能预测模型和损失分析方法能够较为可靠地预测全流量工况下跨声速转子的总体性能与气动参数沿展向的分布,为跨声速压气机的特性预测提供了新的思路,具有较强的借鉴意义和工程实用价值.     

新型高分辨率格式及其在CFD的应用

 利用小波奇异分析构造了一种新型的高分辨率高效计算格式,借助小波奇异分析所找到的流场中奇异点区域和光滑区域,合理选择高分辨率、高精度WENO格式和高精度中心差分格式进行流场的离散求解;利用该格式对超声速二维前台阶流动问题、跨声速RAE 2822典型翼型的二维外流场、跨声速VKI-LS59涡轮叶栅的二维流场以及NASA Rotor 37跨声速压气机转子和NASA Rotor 67跨声速风扇转子的三维流场进行数值模拟,计算结果表明,采用这种新型格式可以用于内外流复杂流场计算。数值计算还发现,在采用相同网格的情况下,本文格式不仅具有通常WENO格式高分辨率的特点,而且计算效率较WENO格式高出3～5倍。     

Numerical Calculation of Flows in Turbomachinery with Three-dimensional Viscous Codes

A fast and accurate three-dimensional (3-D) viscous code for calculating flows in turbomachinery has been established. In this code, H meshes are adopted to build the discrete equations, and the conservation equations are solved on grid nodes at the corners of cuboid elements. In order to accelerate convergence, local time stepping, residual smoothing and multigrid method are also applied, and the viscous effects are approximated by a very simple mixing length model. For verification of the accuracy and applicability of the method, transonic flows through compressor cascades of NASA rotor 37 and flows through a turbine stator of NASA have been calculated. The good agreement between experimental results and design data has demonstrated the reliability and applicability of the present method, which can be used for simulating the complex 3-D viscous flow phenomenon in turbomachinery.     

Numerical Simulation of Rotor-stator Interactions in a Transonic Compressor Stage

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＮｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｒｏｔｏｒｓｔａｔｏｒｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓｈａｓｒｅｃｅｉｖｅｄｗｉｄｅｓｐｒｅａｄａｔｔｅｎｔｉｏｎｉｎｔｈｅｌａｓｔｆｅｗｙｅａｒｓｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｉｎｔｅｒｅｓｔｉｎｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇｔｈｅｕｎｓｔｅａｄｙｎａｔｕｒｅｏｆｆｌｏｗｓｉｎｔｕｒｂｏｍａｃｈｉｎｅｒｙ.Ｔｈｅｒｅａｌｆｌｏｗｓｉｎｓｉｄｅａｔｕｒｂｉｎｅｏｒａｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒａｒｅｕｎｓｔｅａｄｙａｎｄａｒｅｃｈａｒａ…     

展弦比对某跨音速风扇性能影响的数值研究(英文)

使用数值模拟方法,对比研究了三个采用不同大小动叶展弦比设计得到的高负荷跨音速风扇的性能.设计方案选择的动叶展弦比分别为0.937,0.871,0.804.计算结果表明,动叶展弦比大小对风扇性能影响显著.采用较大展弦比设计的风扇具有更宽广的流量范围,但是最高效率点偏低,而且总压比范围较小.通过流场分析揭示了转子展弦比的变化会影响到气动负荷在叶展方向的分布规律.使用较大展弦比设计时,动叶顶部激波损失增加,通流能力下降.     

小流量工况下叶尖弯曲对间隙流动影响的数值研究

为研究叶片叶尖弯曲对间隙流动的影响情况,采用数值模拟方法,研究了不同叶尖弯曲参数(弯曲方向、弯高、弯角)对跨声速压气机动叶在小流量工况条件下的间隙流动的影响,研究对象为美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)Rotor37跨声速压气机转子叶排.结果表明:在小流量工况条件下,叶尖弯曲对平均效率的影响无明显规律,但可能导致平均效率下降;叶尖正弯曲能够改善间隙附近的流动情况,使叶片通道内的堵塞程度降低,降低间隙附近的流动损失;而叶尖反弯曲会使得叶片通道内的堵塞程度增加,增加间隙附近的流动损失.     

Study on seal improvement and rotor thrust control of centrifugal compressor

Fluid pressure variations due to process fluctuations or balance drum seal degradation can result in rotor thrust increasing that may jeopardize thrust bearing and compressor’s reliability. Also, the leakage flow through balance drum seal can seriously affect the efficiency of compressor. A method that can improve both the efficiency and reliability of centrifugal compressor is presented. The method focused on rotor thrust control and balance drum seal upgrading. The low leakage feature of Dry-Gas-Seal（DGS）, high reliability of labyrinth, and the feasibility of upgrading existing structure are taken into account at the same time to design a combined labyrinth-dry gas seal system on the balancing drum. Based on the combined seal system, a Fault Self-Recovering（FSR） system for the fault of rotor shaft displacement is introduced to assure the safety and reliability of centrifugal compressor. The modern Computational Fluid Dynamics（CFD） is used to validate this envision. The numerical result and relevant information indicate that the combined sealing system could improve the efficiency of the centrifugal compressor by about 4%.     

螺杆压缩机设计计算软件的研究与开发

介绍了所开发的以Windows为操作平台的螺杆压缩机设计计算软件SCCAD,总结了SCCAD软件中转子型线、几何特性、热力性能、转子受力、转子变形以及刀具刃形等设计内容的计算方法和计算机程序,给出了利用VisualBasic语言设计的用户界面和后处理程序.SCCAD软件克服了传统设计方法设计周期长、计算准确度差的缺点,设计人员可通过该软件,采用建立在工作过程数学模拟基础上的螺杆压缩机设计新方法.利用SCCAD软件设计的螺杆压缩机的研制成功,证明了该软件的可靠性     

跨声速压气机转子与缝式机匣处理的动量输运

对使用半圆缝式机匣处理的跨声速压气机转子进行定常及非定常数值模拟,对转子叶尖间隙及机匣处理开口处的轴向动量进行计算,从动量输运的角度对转子叶尖及机匣处理之间的相互干涉进行分析.转子叶尖间隙处的时均动量分布表明,机匣处理减少了转子叶尖泄漏流逆主流方向的轴向动量,从而拓宽稳定工作裕度.机匣处理与转子叶尖的叠合率越高,泄漏流轴向动量最小值的轴向位置约靠近下游,且与处理缝后端的位置一致.通过对瞬时结果的分析,综合处理缝开口处轴向动量与叶尖流场,解释了在一个转子通过周期内处理缝开口瞬时轴向动量呈周期性变化的原因.