水轮机双列环列叶栅流场的边界元分析法

本文以水轮机导水部件流场为研究对象,提出了水轮机双列环列叶栅流场的边界元分析法。经过在计算机上编制程序计算后验证,采用该方法的计算结果与实验结果比较吻合,并且速度快,精度高。利用该方法可以对水轮机双列环列叶栅流场进行预测与筛选,流场计算结果可作为分析水流流态和评价通流部件设计方案的一个依据。     

动态入流条件下的串列叶栅流场

在航空发动机轴流压气机流动通道中,为提高流场品质在高低压转子之间常会引入串列叶栅结构。叶栅上游叶片的转动会引起串列叶栅流场的动态入流(非定常入流)效应。动态入流会造成流场强烈脉动,影响串列叶栅的性能;研究动态入流串列叶栅流场的特性具有重要的工程意义。为了研究压气机串列叶栅在动态入流条件下的流场运动特性,选取了三个不同转子频率,运用用户自定义函数(UDF)实现进口马赫数随着时间正弦变化;进行压气机串列叶栅流场的数值模拟。结果表明动态入流下的串列叶栅流场比恒定来流的串列叶栅流场分离现象更加严重,叶栅流场的流通能力降低,入流频率越低流通能力越差。     

动态入流条件下的串列叶栅流场的研究

在航空发动机轴流压气机流动通道中为提高流场品质在高低压转子之间常会引入串列叶栅结构,叶栅上游叶片的转动会引起串列叶栅流场的动态入流（非定常入流）效应。动态入流会造成流场强烈脉动,影响串列叶栅的性能,研究动态入流串列叶栅流场的特性具有重要的工程意义。为了研究压气机串列叶栅在动态入流条件下的流场运动特性,本文选取了三个不同转子频率,运用UDF（User-Defined Function）实现进口马赫数随着时间正弦变化,进行压气机串列叶栅流场的数值模拟。结果表明动态入流下的串列叶栅流场比恒定来流的串列叶栅流场分离现象更加严重,叶栅流场的流通能力降低,入流频率越低流通能力越差。     

基于熵产理论的叶栅型线优化设计

将熵产理论引入二维叶栅的优化设计中,提出了一种能够准确量化在任何位置的流场不可逆损失的分析方法.基于热力学第二定律,理论推导了湍流下的流场熵产计算公式,采用涡黏性模型对叶栅流场熵产进行计算,详细讨论了安装角、叶栅稠度、叶型厚度对叶栅性能及流动损失的影响规律.通过B样条曲线完成叶栅参数化建模,并将改进的带精英策略的非支配排序的遗传算法(NSGA2)与计算流体力学(CFD)相耦合,建立一种以最大总压升和最小熵产率为目标的叶栅自动优化方法,进而得到优化叶栅的Pareto解.与初始种群相比,优化叶栅具有更优的气动性能,在总压提高的条件下,流场熵产率减少.     

水力机械中多部件作用下轴对称流动的有限元解

本文给出水力机械中多个部件联合作用时轴对称流动的计算方法.该方法可以在同时计及转轮、转轮前后部件、轴面流道形状及工况变化等因素的条件下,给出机器内的流场特性.其中转轮前的流场特性,即轴面速度和环量分布作为整个流场中的一部分被解出.避免了转轮计算中来流特性给定时的不确定性,从而保证了转轮流场计算的准确性.这对于转轮前具有导叶、诱导轮或其它叶片式部件等情况下的计算有重要意义.计算以理想流体的欧拉方程和叶轮机械计算的准三元法为基础.方程利用有限单元法求解.给出了算例及其与试验结果的比较.     

平面叶栅速度图法有限元分析

本文提出了跨音速平面叶栅气动反命题的一种解法。首先用八节点等参单元对平面速度图方程作有限元展开,由此来计算跨音速叶栅亚音速部分的外形,然后根据速度图方程的喷管特解来计算叶栅的跨、超音速部分外形。文章最后总结出一种控制叶栅外形变化的简单有效的方法,并给出了计算结果。     

叶栅叶型正反设计的伴随优化方法

针对基于流场Navier-Stokes方程求解的叶栅叶型正反问题设计优化中,计算量随设计变量数目急剧增加的问题,采用伴随方法建立了集叶片几何参数化、网格生成、流场求解、伴随场求解与优化求解于一体的优化求解方法。针对反问题设计中目标控制参数分布难以给定的问题,通过分析叶栅叶型正问题优化求解结果,给出了反问题优化求解所需的较优目标压力分布。利用自主程序完成了以减弱或消除流动分离、提高叶栅气动性能为目的的叶栅叶型正、反问题自动优化求解,优化后的叶型叶栅总压损失系数分别降低了5.69%、4.50%。研究表明,叶栅叶型吸力面曲率的减小、叶片前加载和中后部逆压梯度的减小,可有效抑制叶片尾缘附近的流动分离。该研究工作对发展高效宽工况叶栅叶型设计技术具有一定的参考价值。     

吸力面翼刀高度对压气机环形叶栅流场的影响

为研究不同高度的吸力面翼刀对压气机环形叶栅流场结构及性能的影响,采用三维定常N-S方程和Realizablek-ε湍流模型,对CDA环形叶栅和同一叶展位置安装的4种不同高度吸力面翼刀的叶栅三维黏性流场进行数值模拟.结果表明:加装吸力面翼刀后,各方案叶栅端壁附近周向压力梯度减小,二次流动得到有效控制.各翼刀方案的叶展中部流动状况均较原型叶栅改善,分离线高度均显著降低.叶栅能量损失系数随吸力面翼刀高度的增加先减小后增大,在计算范围内,吸力面翼刀高度为3.3 mm的方案可较好控制环形叶栅内的二次流动.     

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.     

小展弦比叶栅非轴对称端壁造型及气动性能的数值研究

提出了基于双控制型线的非轴对称端壁造型新方法,并在某小展弦比叶栅的上下端壁上完成了非轴对称端壁造型设计.采用数值求解Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和考虑转捩模型的SST湍流模型对轴对称端壁原始叶栅和非轴对称端壁叶栅进行了详细的流场特性分析,结果表明:所提方法可以有效减少进入叶栅通道涡的低能流体,从而抑制了通道涡的发展,减少了二次流损失.由于叶栅展弦比较小,所以非轴对称端壁会影响到整个流场,使得出口气流角在整个叶高范围内有所增大,中叶展处叶片负荷下降,型面损失减少.与轴对称端壁原始叶栅相比,非轴对称端壁叶栅效率提高了0.22%,从而验证了所提方法的有效性.     

机翼和任意族成面叶栅气动正命题的新提法及其变分有限元解法

本文给出了机翼和任意旋成面叶栅流动的正命题（势函数的定解问题）的新提法及其变分有限元解法．将机翼的Ｋｕｔｔａ条件及叶栅主、分流叶片的广义Ｋ－Ｊ条件作为本质边界条件，可以有效地处理机翼和叶栅中分流叶片的割缝条件以及主流叶片的下游周期性条件，避免了传统方法中反复调整机翼及分流叶片环量、叶栅出口气流角以满足Ｋ－Ｊ条件的人工方法，实现了程序自动化，提高了计算速度．     

径流式S_1流面叶栅半反命题的变分原理

本文将径向动量方程作为主方程,用反推法建立了径流式S_1流面叶栅内不可压缩流动半反命题的变分原理与广义变分原理,将原偏微分方程组的边值问题转化为一等价泛函的驻值问题,从而可以用各种变分直接解法进行普遍的S_1流面叶栅的流场分析。     

平面跨音速叶栅的优化设计

根据最优化理论建立了平面跨音速叶栅优化计算的数学模型，以跨音叶栅气动正问题的求解为基础，以叶栅损失系数ξ为目标函数，并考虑适当的约束条件，应用最优化方法，通过反复搜索，自动给出在一定条件下性能最佳的叶栅。从两种叶栅的优化设计的结果表明：优化后叶栅流场的特性得到了明显地改善，损失下降，将优化计算在叶轮机械设计领域内的应用向前推进了一步。     

透平叶栅C型网格生成技术的研究

研究了利用Ｐｏｉｓｓｏｎ方程偏微分方法生成叶栅Ｃ型网格技术，给出了其具体步骤。结果表明，该方法在控制网格线间距和正交性方面有很强的能力，对于叶栅流场的数值模拟是一种有效的、高质量的网格生成技术。     

旋转叶栅粘性流的通用解法

本文提出旋转叶栅粘性流的通用解法,即ξη映象面法.为旋转叶栅的设计及流体动力学计算提供灵活而有效的新方法。     

任意旋成面叶栅边界层和损失计算

本文应用变分有限元方法和边界层理论对实际叶栅内部流场进行了数值计算,求出了中心势流场的速度和压力分布、型面边界层特征参数、叶栅损失系数及型面摩擦损失系数。计算结果与实验数据吻合较好。文中所建立的方法和编制的计算程序可用于对轴流式或离心式叶栅进行计算,并以此判断叶栅性能优劣,改善叶型和设计高效叶栅,减少不必要的试验经费。     

叶片弯曲对压气机叶栅损失与速度的影响

进行了带尾板的由常规直叶片、正倾斜叶片、正弯曲叶片、反弯曲叶片、S形叶片组成的5种矩型压气机叶栅在低速风洞上的实验研究，测量了叶栅出口流场，分析了零冲角下不同叶片弯曲形式对叶栅出口总压损失分布情况和主流速度的影响．结果表明，弯曲叶片对压气机叶栅出口流场有很大的影响，正弯曲叶栅可以降低叶栅的端壁损失，反弯曲叶栅加大了角区分离，恶化了两端区流动，总损失高于直叶栅．     

水力机械旋成面叶栅杂交命题的变域变分理论

本文通过对水力机械转轮叶片设计理论的研究,针对叶栅杂交命题求解域未定的特点,将叶栅未知边界位置坐标增设为自变量,利用反推法和泛函的变域变分公式建立了任意旋成面叶栅内不可压缩流动A,B,C,D和E类杂交命题的流函数型和势函数型变分原理与广义变分原理。将原来求偏微分方程组的边值问题转化为求一等价泛函的驻值问题,这样可以应用各种变分直接解法进行水力机械转轮叶片的设计、改型和流场分析。     

离散涡方法在多级叶轮机械流体计算中的应用

本文首次应用离散涡方法求解了具有动静叶栅的不稳定流场，特别是当流动产生分离时的流场，本文应用离散涡方法的求解不需要象通常那样，假设在动静叶栅之间存在一个混合面，在该混合面上注动参数沿周向是不均匀的，特别是当流动发生大尺度分离时，不均匀性尤其明显，文章基于离散涡方法提出了求解动静叶栅统一流场中如何确定解的唯一性问题，它使得整个求解成为可能。文章给出了在不同情况下（不同的气流进口角），不同的相对于动静     

新的多重网格算法在压气机流场计算中的应用

根据在流场数值计算中使用多重网格方法可以加速收敛的原理,在叶栅流场控制方程使用有限体积差分法进行离散的前提下,提出了一种新的4重网格方法来加速求解压气机叶栅可压缩流动,该方法可以与显式时间推进法有效配合使用。通过对NASA67超音速轴流压气机叶栅流场的数值计算表明,该方法明显加快了流场计算的收敛速度,并且计算结果与试验结果吻合较好。