流速对尾流激励的叶片气动力降阶模型的影响

介绍了基于Volterra级数的尾流激励叶片气动力降阶模型,用于上游尾流激励下叶片气动载荷的快速计算。用一个叶片的算例验证了该降阶模型,通过不同流速的算例对比发现:该降阶模型可以快速准确地描述尾流激励引起的叶片气动力,流速或流场结构不是影响该气动力降阶模型精度的关键,而上游尾流扰动是否满足小扰动假设是保证该气动力降阶模型精确的关键。     

颗粒浓度对动静叶栅内非定常流动的影响

采用大涡模拟与Mixture多相流模型相结合的数值模拟方法,运用滑移网格技术,对带有径向导叶的离心泵三维全流场进行耦合计算.对比分析在设计工况下不同颗粒浓度时泵动静叶栅内涡量、压力脉动以及泵流道内涡结构演化过程的区别及联系.结果表明:当动叶逐渐旋转靠近静叶,流道内介质原有的流动情况被改变,且随着颗粒浓度的增大动静干涉所引起的流动结构的改变变得愈发明显;动静叶栅内脉动周期从时域特征上看,与动叶栅的叶片数相同,与介质无关.介质性质的改变只改变压力脉动的程度,在动静叶栅的交界面处,随着颗粒浓度的增大,动静干涉对流动的扰动作用越明显,压力脉动幅度也随之增大;在静叶栅流道内,动叶栅旋转所产生的惯性力逐渐减小,而介质黏性逐渐增大,使得压力脉动情况则变为颗粒浓度为10%时最大,清水次之,颗粒浓度为20%时最小.     

核电超长末叶气动稳定性的流固耦合数值研究

为了准确模拟内流场长叶片在高背压条件下的气动特性和稳定性机制,采用三维时域响应流固耦合算法进行了研究。流场域先进行内部迭代收敛后,在时域上与固体域进行耦合迭代求解,并且利用流场与叶片有限元模型之间的交界面进行气动力、位移等变量的数据交换和迭代计算,对新开发的核电超长末级叶片在3 600、7 200、10 800Pa这3种背压工况下的气动稳定性和流动特征进行了分析。结果表明,随着背压增大,在叶栅流道内的近出口处附近出现了由压力扰动引起的旋涡流动现象,3种背压工况下叶片的时域响应曲线均以1阶动频模态为主进行自由衰减,并表现出非线性的振动特征,叶片的响应幅值均呈现收敛的趋势,新开发的核电超长末级叶片在背压从3 600增大到10 800Pa范围内时保持气动稳定,不会发生颤振现象。叶栅背弧面激波随背压升高不断朝气流方向移动但并未发生脱体,在叶片振动过程中叶高各截面的流场流动也保持平稳,同时,时域响应曲线的气动阻尼随背压变大而减小,这表明叶片的气动稳定性随背压增加而逐渐减弱。     

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。     

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。     

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。     

三维叶盘失谐模态分析的摄动降阶方法

针对失谐叶盘结构振动局部化引起的叶盘高周疲劳会对叶片安全性产生不利影响,真实叶盘结构的细节较多、网格划分后的节点数目庞大、模态计算的效率较低等问题,提出了一种摄动降阶方法。将叶盘刚度阵和质量阵分为谐调部分与失谐部分,利用固定界面模态综合法中的坐标降阶转换关系,将已知的原始结构中的失谐部分转换为降阶结构中对应的改变量。通过摄动方法,循环利用谐调模态信息,将失谐叶盘模态的求解转化为失谐矩阵与谐调矩阵的乘积形式,快速计算对应失谐分布下的叶盘固有频率与振型。对Rotor#67压气机叶盘进行计算,结果表明:相对于完整求解方法,摄动降阶算法的频率计算误差低于0.3%,模态位移计算误差小于0.25%;摄动降阶法的模态计算时间最高为常规降阶法的30%,说明在满足工程计算精度的要求下,所提方法能大幅提高失谐叶盘模态的计算效率。     

非轴对称端壁成型及其对叶栅损失影响的数值研究

根据叶栅非轴对称端壁成型的基本原理，探讨了非轴对称端壁成型的技术，利用三角函数构建了叶栅非轴对称端壁的型面，对5种不同端壁的叶栅进行了数值模拟，并采用三维时均可压缩N-S方程组求解方法，对构建的非轴对称端壁的跨音速直列叶栅进行了数值研究．结果表明：采用非轴对称端壁可有效降低叶栅二次流损失，所建立的非轴对称端壁成型方法效果比较明显；成型过程中单峰幅值控制函数要明显优于双峰函数，单峰幅值控制函数中最大幅值约占5％叶高为宜，此时计算结果显示在叶栅128％轴向弦长处总压损失降低了约4．7％。     

基于环形叶栅理论的子午轴流加速风机叶轮设计

为克服基于平面直列叶栅理论的气动力计算偏差,提出了基于环形叶栅因素的子午风机叶轮设计方法.推导出气流进口相对速度w1和出口相对速度w2的公式.研究表明:验算各叶栅w2/w1时,要求w2/w1≥0.65.     

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.     

多分流叶栅S_1旋成流面上的气动正命题有限元新解法及试验研究

分流叶栅或串列叶栅的流场计算和试验研究是透平机械S_1流面问題中的一个重要课题。但求解分流叶栅或串列叶栅的气动正命题是比较困难的,主要在于确定准确的出气角和绕分流叶片的环量值或者分流比。本文在用有限元素法求解多分流叶栅或串列叶栅S_1任意旋成流面上的气动正命题时,把绕叶片的环量位作为无节点的自变量进行直接求解,而不是把它作为一个强加边界条件来处理,从而避免了以前为使叶片尾缘满足广义库塔条件所需的迭代过程。计算与实验结果吻合良好。本文还用自编的程序对多分流叶柵进行了多方案的计算,提出了一种气动性能较好的汽轮机高压隔板多分流叶栅设计,并对这种多分流叶栅和带不同加强筋的叶栅进行了静吹风试验,试验结果表明,这种多分流叶栅比原来带加强筋叶栅的流动损失明显下降。     

结冰分裂导线舞动短路分析

针对结冰分裂导线舞动短路问题,从功能的角度提出了一种分析方法.在正弦模态的假设下,根据功能关系导出了结冰分裂导线舞动振幅经历一个周期增量的表达式,由此导出了结冰分裂导线舞动短路判据.舞动振幅增量的表达式说明了作用在结冰分裂导线上的气动力的线性项与非线性项在舞动振幅不同阶段的作用.结果显示:当振幅较小时,气动力非线性项对应的功较小,振幅增长较慢;当振幅较大时,气动力非线性项对应的功成为气动力的功的主要部分,振幅增长较快.因此,在舞动短路分析中,必须考虑气动动力非线性.     

后加载和高负荷前加载叶型气动性能的试验研究

采用平面叶栅和环形叶栅吹风试验对后加载和高负荷前加载叶型的气动性能进行了详细的测量和研究.在平面叶栅吹风试验中,测量了2种叶型的压力系数分布,研究了攻角、相对栅距、安装角和马赫数的变化对叶型能量损失系数的影响规律.在环形叶栅吹风试验中,测量了2种叶型的近叶顶、中叶高和近叶根处的压力系数分布以及能量损失系数沿叶高的变化规律.对后加载和高负荷前加载叶型的三维成型规律进行了讨论.试验结果表明:高负荷前加载叶型相对于后加载叶型具有更大的负荷特性;高负荷前加载叶型在采用较大的切向弯曲后可以抑制二次流的发展和减少二次流损失;前加载叶型和后加载叶型均具有优良的气动性能.研究结果对于拓宽高性能叶型在汽轮机中的应用提供了理论基础和技术支持.     

轴系扭振条件下叶栅振荡流场研究和非定常气动力的确定

随着汽轮发电机组的大型化,轴系扭振问题愈益突出,由此而产生的振荡流场及流体与叶栅的交互作用是导致轴系失稳乃至发生断轴等重大事故的可能原因。该文研究了轴系扭振与流体激振的关系,采用参数多项式方法,导出了全三元可压缩无粘流动振幅方程及其积分方程,计算了某大型汽轮机末级叶栅的振荡流场和非定常气动力。结果表明,非定常气动力做功的大小与振幅有关,而气动力做功的正负与频域有关,给出了非定常气动力是否导致轴系失稳的判据,为大型汽轮发电机组气动安全性的分析判断提供了有用的手段。     

不同风速下风力机叶片的振动特性研究

针对风力机叶片在正常工况下运行时受到周期性的气动力导致叶片发生振动,降低叶片使用寿命的情况,研究了风力机叶片在不同风速下的振动特性。选取不同风速条件下的5种工况 (风速范围为15~40 m/s),选用CFD方法对NREL PHASE VI叶片进行模拟计算,获取不同风速下的振型和振动位移曲线。结果表明：叶片的主要振型是挥舞和摆振,高阶叶片振型存在着弯曲和扭转组合的复杂变形;来流速度从15 m/s增大到40 m/s时,叶片吸力面的压力分布不均匀性不断提高,来流速度为40 m/s时最大压力差值约达到3 000 Pa;来流速度为15 m/s时振幅最小为0.525 4 mm,来流速度为40 m/s时振幅最大,为3.628 2 mm,约是最小振幅的6.9倍;5种工况的振动曲线均呈现衰减趋势,叶片趋于稳定振动;当来流风速越大时,由来流风所产生的气动力对叶片的作用力越大,叶片的振幅呈现增大的趋势。研究结果可为风力机设计提供参考。     

基于神经网络的跨音速非定常气动力的辨识

利用递归神经网络(RNN)模型具有时间记忆性,且会考虑之前的输入输出对当前输出影响的特点,以递归神经网络方法建立了NACA0012翼型在跨音速阶段的非定常气动力模型;利用CFD计算NACA0012翼型绕其刚心作变频俯仰运动的跨音速气动力系数为训练数据,建立跨音速非定常气动力模型。以建立的跨音速非定常气动力模型预测NACA0012翼型作俯仰简谐振动的气动力系数,并与CFD计算的气动力系数进行对比。结果表明,该模型具备优良的逼近非线性非定常气动力的能力;针对跨音速二维翼型,该模型相比CFD可以更快速地构建,并能迅速且较为准确地预测不同频率下作简谐振动时的气动力。     

用扰动方程研究可压缩边界层中扰动的演化

本文对传统的可压缩流动中的通量分裂方法进行了修正，使其可以用于扰动方程的计算。利用这一方法，对来流马赫数Ma为4．5、雷诺数Re为10^5的可压缩平板边界层中扰动的演化进行了数值模拟。对于给定的基本流，在计算域入口加入T-S波扰动，研究扰动的空间发展演化。对于小幅值的扰动，计算得到的扰动幅值演化和扰动法向分布与线性稳定性理论的结果符合的很好。对于有限幅值的扰动，结果表明，各次谐波无论幅值还是扰动分布都与完整的Navier-Stocks方程计算的结果符合的很好，但由扰动方程得到的平均流修正比N-S方程得到的大一些，这也许是由于在N-S方程计算时，基本流与零阶谐波一起计算而产生的误差所至。     

垂尾抖振响应工程计算方法研究

分析了突风响应计算与抖振响应计算在计算原理上的差异,并提出一种修改NASTRAN突风响应计算流程作为进行抖振响应计算的方法。该方法可以采用刚性模型风洞试验测得的参考点脉动压力数据作为输入激励,翼面运动产生非定常气动力贡献则可以突风响应计算中偶极网格法计算模块计算。在NASTRAN软件的基础上,应用DMAP语言进行SOL 146求解器求解流程的修改,实现了抖振响应计算程序的二次开发,实现了突风载荷计算的屏蔽和抖振激励载荷的表征和输入处理。算例验算表明了算法的可行性。     

基于压力分布的高速列车气动力计算方法

基于径向基函数的气动压力插值方法和摩擦力计算模型,提出了一种可用于高速列车线路试验的气动力快速计算方法。该方法只需测得车体表面若干测点的压力,然后基于这些测点的压力值,使用径向基函数插值方法得到车体表面压力分布;并采用数值积分方法与平板边界层摩擦力计算模型能够快速得到气动压差力和气动摩擦力。列车附属部件几何外形复杂,难以通过插值方法获取表面压力分布;为此,基于八辆编组真实外形,给出了各附属部件对列车气动力贡献度,从而使本文提出的方法能够应用于线路试验和动模型试验。为验证计算方法的有效性,针对高速列车三辆编组简化外形头尾车流线型部分,采用数值计算方法对比分析了气动阻力和气动升力计算结果与计算结果;针对三辆编组风洞试验外形分析了气动阻力试验值和计算值。结果表明:提出的计算方法能够满足工程精度要求。     

考虑气动伺服阀流体力的压力控制系统设计

提出了考虑气动伺服阀流体力的精密压力控制系统设计的新方法.建立了喷嘴挡板式伺服阀内流体力的计算模型和差压控制系统的线性模型.基于该模型,利用数值计算法设计了压力控制系统的PID控制器和干扰观测器.考虑伺服阀后的流体力能够进行压力控制系统的最优设计,并提高了参考输入的追踪性和系统的抗干扰性方面的控制效果.仿真与实验结果验证了该模型的正确性.