非设计工况下叶片扩压器与离心叶轮间非定常流动的二维数值模拟

以一实验用离心压气机内叶片扩压器与叶轮间耦合流动为研究对象，采用动静部件统一的计算方法，对叶片扩压器与离心叶轮间二维流场在非设计工况下的非定常流动进行了数值模拟，并与无叶扩压器与离心叶轮间定常流场进行比较．与测量结果比较表明，本文的计算结果具有一定的可信度，并由此说明了非设计工况下，动静部件干涉对流动的影响．     

带叶片扩压器离心压缩机模型级内流研究

通过对在研工业用带翼型叶片扩压器离心压缩机模型级的内部流动进行数值模拟,以及对模型级外特性进行了实验研究,分析了模型级内部流动特点、损失机理及其对级性能的影响。研究发现:该离心压缩机模型级性能较好,工况范围内效率曲线非常平坦,稳定运行范围较宽,整级效率高达82%;设计流量下叶轮出口轮盖与叶片吸力面的角区有明显的尾迹区存在,小流量下进入叶片扩压器内的气流在叶腹的流动没有得到有效滞止,大流量下气流以冲击叶片扩压器叶腹为主,同时在叶背上出现了较大的旋涡区;不同工况下叶片扩压器内的流动损失和扩压效果由不同工况下的流动特性决定。数值模拟和实验研究获得的模型级外特性曲线一致,表明所采用的数值模型能够准确预测模型级内部的流动特性。     

应用滑移界面方法求解动／静相干 叶排内非定常流动

基于滑移界面技术，发展了求解二维动／静相干叶排内非定常粘性流动的计算方法和软件，该方法克服了混合平面方法所引入的方法误差．压力与速度耦合采用非迭代PISO算法；计算区域的离散采用非交错斜交网格．计算了二维不可压缩Couette流动及无限长相对运动动／静叶排内的非定常流动，验证了用该方法和软件计算动／静相干叶排内非定常流动的有效性．     

离心压气机无叶扩压器非定常流动本征正交分解法

为了研究带有无叶扩压器的离心压气机内部的非稳定流动特征,针对某离心压气机的非定常数值模拟结果,通过本征正交分解(POD)法分析小流量工况下无叶扩压器内部的非稳定流动.研究结果表明:无叶扩压器的内部流场主要受上游叶轮及下游蜗壳的影响;POD法成功地捕捉到了叶片扫描频率所对应的射流-尾迹结构以及低频率的非稳定流动模态;非稳定模态的特征频率为221.04 Hz,周向存在多个扰动,并且该扰动以径向波动为主,在周向并不传播;非稳定模态的重构结果可以直观地展示失稳流动的发展过程;流场快照的采样频率对POD法所获得的结果有所影响.     

应用滑移界面方法求解动/静相干叶排内非定常流动

基于滑移界面技术,发展了求解二维动／静相干叶排内非定常粘性流动的计算方法和软件,该方法克服了混合平面方法所引入的方法误差．压力与速度耦合采用非迭代ＰＩＳＯ算法;计算区域的离散采用非交错斜交网格．计算了二维不可压缩Ｃｏｕｅｔｅ流动及无限长相对运动动／静叶排内的非定常流动,验证了用该方法和软件计算动／静相干叶排内非定常流动的有效性     

直板型叶片扩压器流场的实验测量与数值研究

利用激光多普勒测速仪（LDV）测量系统测量了3个不同的工况下离心风机直板型叶片扩压器内部的三维速度场，并对叶片扩压器内部流场及其随流量变化的规律进行了分析．同时，在实验测量的基础上对整个实验风机进行了非定常数值模拟，并对比分析了扩压器内部及其上游流场的数值计算和实验结果．结果表明：数值结果与实验结果吻合得很好；沿着扩压器的流道方向气流的速度逐渐减小，非定常速度脉动也逐渐减弱，非定常速度脉动的频率和叶轮的叶片通过频率一致；随着流量的减小，扩压器的扩压能力逐渐增强，扩压器叶片压力面附近的低速区逐渐减小，扩压器上游及内部流场受蜗壳的盘、盖侧空腔影响逐渐增大．     

垫升轴流风扇的静叶优化设计及内部流动机理数值研究

以气垫船大型垫升轴流风扇为研究对象,在保证网格无关性及总性能数值结果与试验结果相吻合的基础上,结合人工神经网络技术及遗传算法对静叶中弧线开展优化设计,分析静叶叶型及风扇总性能变化情况。在流量系数分别为0.28、0.35、0.45的3种工况点,研究了原始静叶及优化后静叶通道内部流动机理,揭示了影响静叶内部流动稳定性的原因,由此提出了减小静叶通道内流动损失的方法。研究结果表明:通过优化静叶几何进、出口角,即减小攻角、略微增大落后角,在主要流量工况范围内可抑制通道内的二次流流动,在保证压力不降的情况下提升效率、降低功率,其中设计流量工况点效率提升达7%以上;在静叶上,通过减小几何进口角、增大几何出口角,可以起到调整叶片表面载荷分布、降低流动损失、提高气体通流能力的作用。该结果可为研究叶轮机械内部复杂流动提供参考。     

分流叶片离心泵叶轮内变工况三维数值分析

对带分流叶片的离心泵叶轮不同工况下的内部流动进行数值模拟分析．计算采用雷诺时均方程和修正了的κ-ε湍流模型,在压强连接的隐式修正法建立的压力速度校正方程基础上,利用贴体坐标系和交错网格技术进行计算．计算结果揭示了带分流叶片的离心泵叶轮内部湍流流动不同工况下的速度分布及压力分布规律,对叶轮内部流动状况进行了分析和研究．结果表明：随着流量的增加,叶轮内相对速度增大明显;叶轮内整体动压随流量增加而下降,动压在叶轮内的分布场为大流量比小流量更加均匀．     

车用增压器径流式涡轮转静干涉效应研究

为研究增压器径流式涡轮内部转静干涉效应对涡轮内部流动损失、涡轮工作效率和工作性能的影响,借助逆向建模的方法建立径流式涡轮三维模型,运用非线性谐波法并结合增压器变工况的实际运行特性对涡轮增压器径流式涡轮内部转静干涉效应进行研究。结果表明,径流式涡轮内部转静干涉效应的主导因素是尾迹干扰,喷嘴环流道的后半弦长位置及整个涡轮叶轮流道是主要形成区域,形成机理是涡轮叶排的势流干扰受到主流流动的阻滞而造成迁移的距离有限,而尾迹能够随着主流的流动向下游输运。转静干涉作用的影响因素是转静叶间距离,合理增大径隙比结构参数可以改善涡轮内部的气动特性。叶顶间隙涡与上游尾迹相互作用以及尾迹与通道涡等涡系的强烈掺混是涡轮叶轮流道内呈现非定常流动的主要因素。合理减小涡轮叶顶间隙比能够降低涡轮内部流动损失。     

空间傅里叶分析在离心叶轮失速信号识别中的应用

在叶轮失速流场中,由于小流量工况下回流而导致部分通道阻塞,单通道计算无法真实反映失速发生过程,因此为了识别离心叶轮失速信号,首先采用数值方法对Eckardt离心叶轮设计工况和失速工况实施全通道非定常流场计算.对比分析设计工况和失速工况三维流场流动涡分布,离心叶轮由于径向折转和叶片扭转,在设计工况下就存在低速二次涡,而失速工况下在入口存在4个对称分布的通道涡,造成叶轮阻塞并导致失速.进一步采用空间傅里叶分析方法对不同叶高、不同流向位置周向压力信号进行定量分析,结果表明:(1)设计工况下流道中仅存在受叶片通过影响的20阶扰动,而失速工况下4阶扰动振幅最大,并存在振幅逐渐减小的倍数阶扰动,即此时叶轮中存在4个失速团;(2)引起叶轮失速的流动涡首先出现在入口近叶顶区域,导致叶轮入口阻塞,并逐渐发生涡脱落、破碎进而形成新的流动涡,并向流道下游移动;(3)通过对振幅最大的4阶扰动相位变化分析,得到失速团周向运动速度约为0.62～0.73倍叶轮转速.最后通过与不同流向位置静压信号时间傅里叶分析结果对比,确定空间傅里叶分析能准确识别叶轮中失速团个数及周向传播速度,可有效应用于失速信号识别和进一步对叶轮流场失速信号的实时监测、主动控制和优化设计.     

动静叶相互干涉的三维非定常流场数值模拟

将双时间步法应用于叶栅级的全三维黏性非定常数值求解,讨论了分区算法中内边界条件的给定问题,本算法可保证分区边界上具有与内点相同的精度,具有很好的数值稳定性,且通量基本守恒,将该方法应用于具有弯曲导叶的涡轮级的计算可得到典型的非定常流谱,揭示了动静叶之间的相互干涉对叶片气动性能的影响,数值计算结果表明本文给出的算法是合理有效的。     

离心压缩机环列叶栅叶片不稳定脉动力的确定

考虑了近叶片相互作用，首次推出了周期非定常来流作用下环列叶栅叶片上不稳定脉动力计算公式．利用此方法可确定在叶轮叶片粘性尾迹作用下扩压器叶片上所受的不稳定脉动力．由计算公式可计算出叶轮结构参数、气流参数、扩压器叶片几何参数、扩压器叶片气流攻角等对扩压器叶片上不稳定脉动力的影响，为设计低噪声离心压缩机、通风机提供理论依据．     

三维非定常粘性流动的数值方法及其应用

提出了适用于模拟非定常三维粘性流动问题的数值计算体系，包括高速收敛稳定性好的新的ＬＵ型隐式格式，捕捉弱间断面和滑移面的高精度、高分辨率的改良型ＭＵＳＣＬＴＶＤ格式。将基于此数值模型而发展起来的非定常粘性流动通用软件应用于叶轮机械气动热力学计算，为研究内流粘性损失、激波和非定常尾涡干涉、三维分离流动，尤其为探明分离泡内部的涡结构打下了基础。此软件亦适用于叶栅设计等方面的工程应用问题     

圆柱型水槽内动/静叶相干非定常流动的实验研究

在不同的转速和动／静叶相对位置下，利用粒子图像速度场仪（PIV）对具有动／静叶的圆柱型水槽内瞬态流动非定常相干情况进行了实验研究，为了消除随机因素的干扰，实验采用锁相编码器技术和集平平均技术来处理实验数据，结果表明，圆柱型水槽内部具有较强的动／静叶相干现象，静叶区经常出现旋涡结构，通过集平均处理得到的某一转速及动／静叶相对位置情况下的速度矢量分布，可显示旋涡的位置随动叶和静叶的相对而变化，实验还发现，随着转速的升高，动／静叶相对位置对静叶区旋涡的影响变小。     

叶顶间隙对涡轮非定常气动性能的影响

为了分析动静干涉条件下叶顶泄漏流动对涡轮气动性能的影响,对某高负荷低压涡轮级进行了不同动叶叶顶间隙下的定常和非定常数流动的值模拟研究。结果表明:叶顶泄漏流动对上游静叶和动叶中、下部区域影响极小,影响范围主要体现在叶顶区域;随着叶顶间隙增加,动叶能量损失增加,且非定常条件下的损失增加比定常条件下大;叶顶泄漏流动对叶顶通道涡的发展和生成具有抑制效果;动静干涉效应对于泄漏涡的生成、发展、运行轨迹以及范围都有影响,且随着叶顶间隙的增加这种影响效果逐渐变得明显。     

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.     

用于左心室辅助的φ25mm主动脉瓣膜泵

研制出能够满足解剖和生理要求的心脏瓣膜泵．装置只有一个定子和一个转子,装置内没有轴承或其他支承物．叶轮叶片采用三元解析方法设计,可以防止滞流和紊流的产生．装置最大处的直径为24．7mm,长12．4mm;装置重40g,转子重11g;当转速为15000r／min时消耗功率为7W,血动力学测试试验表明,流经瓣膜泵的最大流量可达10L／min,0流量时对应的输出压力为80mmHg;当流量为4～8L／min时,瓣膜泵能增加循环流量约1L／min,提高输出压约10mmHg;由离心泵产生的搏动血流在经过瓣膜泵以后压力搏动值保持在40mmHg左右、以一头80kg重的猪进行首次受体动物试验,将瓣膜泵缝在主动脉进口位置,结果表明装置的植入对周围的组织和器官不会造成损害．     

螺杆泵转子三维运动仿真分析及型线优化设计

利用三维有限元模型计算螺杆泵在过盈条件下的转子运动轨迹,分析在液压条件下液压力对定、转子相互作用的影响,得到液压条件下转子的运动规律,解释螺杆泵在运行过程中转子运动轨迹发生变化的机制。以改善螺杆泵的运行特性、降低扭矩为目的,提出同时改变螺杆泵转子节圆直径与偏心距的型线优化设计方法。结果表明,新方法能够较好地修正螺杆泵转子在定子内部的运动轨迹,提高螺杆泵的举升特性,延长螺杆泵的使用寿命。     

叶片数约化对叶片气动载荷的影响研究

通过求解三维非定常N-S方程模拟叶轮机械内部流场。采用有限体积中心差分和四步龙格库塔时间推进格式,并且使用了双时间方法对计算加速。对一级跨音速风扇静叶选取不同的叶片数方案进行了非定常流场和性能数值模拟。对于不同的叶片数,叶片几何截面按比例缩放以保证各方案叶片稠度不变。通过对特征截面时均载荷的分析研究了静叶约化对下游激波位置的影响。通过对流面参数的快速傅里叶变换,分析了约化对动叶表面静压各阶谐波幅值的影响。研究发现,约化改变了动叶表面主要非定常载荷的幅值以及轴向位置。而轴向位置的改变对非定常气动力的一阶谐波幅值产生了显著的影响。