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.     

采用样条曲面非轴对称端壁成型的高压涡轮动叶气动优化

为了提升高负荷涡轮级的气动效率,发展了基于样条曲面的非轴对称端壁造型方法。以该参数化造型方法为基础,结合高效智能优化算法和经过校核的数值仿真方法,建立了涡轮非轴对称端壁设计优化平台,并以某小展弦比高压涡轮级为研究对象,以效率为优化目标,以流量为约束条件,在级环境和发动机工况下开展了非轴对称端壁优化设计。结果表明：优化设计后的涡轮动叶相对于参考设计,涡轮级的总总效率提升0.26%;非轴对称端壁造型改变了动叶下端壁附近的压力分布,动叶吸力面侧压力系数相对于参考设计显著提升,这降低了动叶叶片通道内的横向压力梯度,抑制了通道中的二次流动;非轴对称端壁造型改变了叶片通道中的涡系结构,相对于参考设计,非轴对称端壁造型使得马蹄涡压力面分支在叶片通道内部沿着叶片压力面迁移,在靠近通道出口的位置才汇入通道涡,这削弱了通道涡的强度,进而降低了气动损失,提高了涡轮级效率。     

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．     

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.     

透平叶栅非轴对称端壁优化设计

为减小透平叶栅二次流损失、提高气动效率,建立了结合透平叶栅非轴对称端壁造型双控制型线参数化方法、全局优化自适应差分进化算法和基于Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程求解技术的叶栅气动性能评价方法于一体的透平叶栅非轴对称端壁优化设计体系,同时验证了全局优化自适应差分进化算法和透平叶栅气动性能评价方法的可靠性和准确性。以透平叶栅总压恢复系数最大化为优化目标,在出口气流角和质量流量的约束及叶栅非轴对称端壁三维参数化控制点共20个设计变量下,完成了透平叶栅非轴对称端壁造型优化设计。研究结果表明,优化后得到的非轴对称端壁造型可有效减少透平叶栅的二次流损失,使叶栅总压恢复系数提高0.25%,证明所提出的设计体系是有效的,可为透平叶栅非轴对称端壁优化提供设计工具。     

非轴对称端壁成型技术的实验研究

通过风洞实验对三角函数非轴对称端壁成型法和压差非轴对称端壁成型法的效果进行了实验研究与考核.结果表明:与轴对称环形端壁相比,这2种非轴对称端壁使得总压损失系数都有不同程度的减小,在叶栅出口下游段距尾缘2 mm截面上,2套造型端壁流道的总压损失系数分别降低了7.78%和10.20%;在叶栅出口下游段距尾缘4 mm截面处,2套端壁造型流道的总压损失系数分别降低了9.70%和14.22%.实验还验证了2种端壁成型方法的有效性,采用这2种成型方法设计的叶栅流道能够降低叶栅的二次流流动损失,提高级效率.     

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.     

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.     

不同马赫数下非轴对称端壁扇形叶栅流场

以某一高压涡轮导叶扇形叶栅为研究对象,通过数值和实验方法研究非轴对称端壁造型对涡轮叶栅内二次流的控制机制,分析出口马赫数增加对二次流损失特性的影响规律.结果表明:不同出口马赫数下,非轴对称端壁造型可有效降低总压损失,抑制周向二次流,削弱通道涡强度.出口总压损失系数和涡量随出口马赫数的变化而变化;出口马赫数为0.85时,改善效果最好,出口总压损失系数减小10.81%.     

典型布局端壁等离子体激励抑制高负荷扩压叶栅角区分离实验

为提高端壁等离子体气动激励对高负荷压气机扩压叶栅角区流动分离的控制能力,需要进一步优化激励布局,实现更高效的流动控制。针对多种端壁等离子体激励布局形式,分别开展了毫秒脉冲等离子体气动激励抑制叶栅角区流动分离的实验研究。结果表明:端壁横向流动对角区流动分离的影响大于流向附面层的流动分离。端壁激励布局对流动控制效果至关重要。优化后的激励布局沿三维角区端壁分离线切向,流动控制效果最好,50%叶高处总压损失减小11.8%;但随着来流攻角的变化,导致激励器布置不再与端壁分离线相切,流动控制效果减弱,因此要根据控制攻角的范围需求,结合具体的流场结构,设计合适的激励布局;适当的增加激励组数能有效促进射流与近壁面气流掺混,提高流动控制效果。     

叶根前缘VG对微型轴流风扇性能的影响

为降低微型轴流风扇叶根端壁区域二次流所引起的损失,根据涡流发生器的流动控制思想,提出一种在叶根前缘压力面侧设置微型直板的新型流动控制方法;以某微型轴流风扇为研究对象,采用数值模拟结合实验的方法,重点分析了不同安装角的涡流发生器对轴流风扇气动性能及内部流场的影响;研究结果表明：涡流发生器存在提高风扇静压与静压效率的最佳几何安装角,涡流发生器会对叶轮内部流场产生影响,由涡流发生器所形成的诱导涡与压力侧马蹄涡分支进行掺混,会削弱马蹄涡的强度,在一定程度上抑制了由马蹄涡参与演变成的通道涡的发展,使叶轮流道中流体进行再分配;在宏观方面,结构匹配的涡流发生器可提高风扇的气动性能,当涡流发生器安装角度为15°时,在风扇高效运行区间内同原型风扇相比,安装涡流发生器的风扇其静压最多提高8%,静压效率最大可提升2.4%。对于大轮毂比微型轴流风扇,由通道涡所引起的二次流损失不容忽视,同时在对叶轮进行设计优化时应重视叶根端壁处的结构设计。     

双叶片离心泵内失速现象的三维PIV分析

为了揭示双叶片离心泵内失速现象的发生和发展过程,采用三维粒子图像测速(PIV)系统对比转数为134的双叶片离心泵在4个工况下3个截面的流体流动进行了分析.结果表明：随着流体流量的减小,叶片的压力面首先出现流动分离并产生漩涡;当流体流量继续减小时,漩涡堵塞了流道而使流体流动受阻,造成了叶轮流道失速的现象.在最优工况下,叶轮内流体的流态最佳;在0.8倍最优工况下,中间截面发生了流动分离;在0.5倍最优工况下,中间截面的流动分离扩张并产生了失速;在流量减小至0.2倍最优工况的流量之前,前盖板处也出现了失速,而在后盖板处没有发现漩涡.同时,叶轮内流场的轴向速度很不均匀,由流道进口到出口、吸力面到压力面,其轴向速度逐渐减小,并且叶片压力面的负向轴向速度区域随着失速的发展而扩大.     

具有叶顶间隙轴流叶栅流动数值模拟

采用人工可压缩性方法对具有叶顶间隙的轴流叶栅内湍流流动进行了数值模拟.结果表明,叶顶间隙的减小使间隙涡产生过程延缓,强度的衰减速度增大,作用范围减小;间隙涡涡核沿流动方向由吸力面侧逐渐向压力面侧移动,叶项间隙存在使叶片表面压力系数有所降低,在叶尖附近降低尤为显著,随间隙减小叶片中间区域及根部受间隙的影响较小;间隙的存在导致主流速度明显降低,叶尖附近的二次流速度明显增大,尤其当间隙为2%～5%的弦长.     

前掠角对车用轴流式冷却风扇性能的影响

建立了某车用冷却风扇不同前掠角参数化模型,并基于计算流体力学的方法对其流动进行了仿真,研究了不同风扇转速下,前掠角对冷却风扇流动、风量以及阻力矩的影响.在压力分布方面,研究结果表明:随着冷却风扇前掠角的增加,相同的转速下,风扇叶栅入口处,空气的平均压力不断升高,叶栅流道内,相邻叶片间升力面和吸力面间的压力梯度逐渐减小,同一叶片升力面同吸力面间的压差逐渐降低.在速度分布方面,随着前掠角的增加,相同的转速下,风扇叶栅入口处,空气的流速逐渐减小,叶栅流道内,空气速度的增加逐渐减小.在风扇性能方面,随着前掠角的增加,相同的转速下,风扇风量逐渐减小,风扇阻力矩逐渐降低.     

端壁边界层抽吸对透平静叶栅二次流影响的数值研究

湿蒸气透平静叶栅的端壁抽吸槽常用来抽除沉积水膜以防止动叶片水蚀,但它也有可能同时用来抽除端壁上边界层以抑制二次流的发展．作者采用有限体积差分法求解了三维稳态时均ＮＳ方程组,分析了在叶栅前缘附近进行端壁边界层抽吸对透平静叶栅二次流流场、气流偏转角及总压损失系数等气动特性参数的影响．计算结果表明,在前缘附近抽吸端壁边界层可以抑制马蹄涡的发展,减弱通道涡的强度,从而减小二次流损失并提高出口气流的均匀性．     

电驱动离心压气机叶型分析及设计

通过分析基于电机驱动压气机的性能要求和工作特点,得到可运行于低转速范围下的高效电动压气机叶轮设计策略.对比普通车用涡轮增压离心压气机叶轮J90和电动压气机叶轮JE90以及分析两种不同应用场合的叶轮的子午流道外形、叶片角分布和叶片载荷分布等存在的差异,得到低比转速电动压气机叶轮叶型的几何设计规律和策略.结果表明:优化子午流道外形可以改善流动情况,减小二次流损失;分流叶片后掠可以增大失速裕度和稳定工作裕度,叶轮尾部叶片角分布中可以选择较小的出口叶片角以提高其做功能力,加大吸力面和压力面的载荷差距,即压差更大可增强对空气做功能力;主叶片厚度最大值不宜过大且保证在中间跨度的厚度分布均匀.      

Analysis of the dominant frequency in a subsonic compressor stator at near stall condition

IDDES method was applied to investigate the highly unsteady flow in a subsonic compressor stator with very large hub clearance and high incidence angle. The blade loading variation frequency was found close to the rotating instability （RI） frequency fRI ＇~ 333 Hz observed in the experiment. Detailed analysis of the flow physics shows that the loading variation is caused by the periodic swing of the large scale separated flow on the blade suction side surface. The breakdown of the leakage vortex has no significant dominant frequencies, thus cannot be the cause of RI in this compressor stator as normally believed. Fur- thermore, the vortex shedding and vortex breakdown due to shear layer instability at the outer edge of the blade suction surface separation region excite high frequency unsteadi- ness that can form the sources of noise.     

轴流通风机叶栅叶型的优化设计研究

本文在附面层理论分析和平面叶栅损失计算的基础上,做一些合理的近似简化以后,应用最优化理论,提出了叶栅叶型背弧上最优流速分布的数值计算方法。其计算结果和前人用理论计算方法得到的结果比较符合。本方法有适合工程设计中应用的特点。本文在二元、不可压缩假设下,通过对叶型背弧环量等参数的适当处理,提出了一套较完整的、根据叶型背弧上最优流速分布等条件求解叶栅叶型的优化设计方法,并且将此方法编成电子计算机程序。本文在新型轴流通风机设计中采用优化方法设计叶栅叶型,经初步试验证实,此方法是行之有效的。     

离心叶轮的设计与试验

本文提出了一种工程上实用的离心风机叶轮的准三元设计法。子午面采用无限多叶片概念,从而可在该面解轴对称问题。回转面的叶片成型,是由选择所希望的负荷分布或给定叶片吸力面速度分布来决定叶片角随半径的分布。     

附面层抽吸对带有叶顶间隙扩压叶栅涡量场影响

针对带有叶顶间隙的大转角扩压叶栅,采用实验校核的CFD方法分别研究了叶顶开槽、吸力面端部开槽及叶顶-吸力面端部组合开槽抽吸对涡量场的影响,结合涡动力学理论分析附面层抽吸机制。结果表明涡量是流场中自由涡的根源,其峰值区域严重堵塞流场,叶顶抽吸通过吸除径向潜流附面层控制泄漏流轴向涡量分布,降低了泄漏损失,而吸力面开槽消除了角区复杂分离结构,通过二者的组合,将涡量吸附至近壁面处,流场中损失模式趋于简单化。