叶尖小翼对轴流风机气动性能及噪声特性影响的数值研究

为了控制轴流风机叶顶泄漏流造成的气动损失和噪声,在轴流风机叶片顶部添加了融合式叶尖小翼结构,并对风机的气动性能及噪声特性进行了数值研究。采用大涡模拟结合声类比方程的数值方法,研究了叶尖小翼对轴流风机流场和声场的影响。通过对风机叶尖流场和声场进行分析,对比不同外倾角的融合式叶尖小翼周围的涡场结构以及表面声压脉动,分析了不同外倾角小翼对叶尖泄漏流的控制作用以及叶尖小翼对风机气动性能和噪声特性产生的影响。结果显示:叶尖小翼结构可以有效抑制叶尖泄漏涡以及叶尖分离涡的发展,降低轴流风机的气动噪声,提高轴流风机静压效率;使用20°外倾角的叶尖小翼,风机静压效率提高了1.1%,噪声降低了5.0dB;叶尖泄漏流造成的气动噪声主要是宽频噪声,叶尖小翼可以明显降低轴流风机的宽频噪声;通过优化叶尖小翼的外倾角可以在不损害风机气动性能的同时实现较好的降噪效果。     

整体涡旋流畸变下的压气机失速机理分析

为了研究跨声速压气机在整体涡旋流畸变下的失速机理,采用数值仿真方法对Stage35进行了整级数值模拟,研究了叶片通道流场中触发压气机失速的关键因素,分析了不同转速下,叶顶泄漏涡和径向涡在旋流畸变条件下的变化情况。结果表明:同向整体涡能抑制叶背流动分离,使径向涡体积减小,叶顶泄漏涡减弱,叶顶通道堵塞程度减小,压气机稳定裕度增大;出现反向整体涡时,叶背气流分离加剧,径向涡体积扩大,低转速下,泄漏涡增强,堵塞区面积增大,高转速下,泄漏涡变化不大,但径向涡体积扩大引起流体向叶尖堆积,形成大面积的吸力面尾缘低速区,更容易导致压气机失稳。     

自动网格体系在柱体绕流大涡模拟中的适用性评估

为了评估基于snappyHexMesh方法生成的自动网格体系在二维柱体绕流大涡模拟中的适用性,比较了该自动网格体系与人工网格体系对于Re为3 900圆柱绕流和Re为22 000方柱绕流的数值模拟结果。通过设置合理的计算域以及数值格式,采用snappyHexMesh自动网格以及人工网格的算例都表现出良好的数值稳定性。将不同网格体系的数值模拟结果与物理试验结果进行对比,结果表明,采用snappyHexMesh网格可以提高数值求解效率;圆柱绕流对网格体系的变化比较敏感,不同密度的snappyHexMesh网格会显著影响圆柱气动力特征以及尾流区域的流场结果;snappyHexMesh网格体系可以准确预测方柱绕流,在方柱绕流大涡模拟中具有相较于圆柱绕流更好的适用性。     

机匣处理对离心压气机激波与泄漏涡干涉的影响

跨声速离心压气机间隙泄漏涡与激波相互干涉对压气机性能有重要影响.采用CFD方法对设计的跨声速离心压气机进行数值模拟,分析了激波与间隙泄漏涡的相互作用,研究了自循环机匣处理开缝位置对激波/间隙泄漏涡干涉的影响.结果表明:导风轮叶尖泄漏涡与激波干涉是压气机失速的重要诱因;机匣处理开缝位于分流叶片附近可扩大堵塞流量,开缝位于主叶片前缘附近可改善小流量时压气机特性;较大气体回流量可增加叶轮进口轮缘附近气流的正预旋,降低叶轮进口相对马赫数,减弱流道激波和叶尖泄漏涡;流经机匣处理槽的气流量较小时,具有微喷气或吸气效应,能抑制间隙泄漏涡,推迟压气机失稳.     

不同倾斜角叶尖小翼水平轴风力机气动性能

为研究不同倾斜角的叶尖小翼对叶片气动性能的影响,设计了5种不同倾斜角的叶尖小翼,并采用结构化网格技术与CFD数值计算方法对比分析其气动性能。研究结果表明:与原始风力机相比,5种不同小翼对风力机输出功率及风能利用率均明显提升,最大输出功率增长16.73%,风能利用率增长4.41%;倾斜角较大的叶尖小翼能更多地增大叶片的上、下翼面压差,且翼根弯矩更小;大倾斜角小翼能明显改善叶尖绕流,打散叶尖拽拖强涡量,降低叶尖能耗损失。     

叶端加不同小翼对Krain离心叶轮气动性能影响的数值研究

为了控制离心压气机叶顶泄漏流,以压比为4.7的Krain低速叶轮为研究对象,将叶尖小翼技术应用到离心压气机中,采用数值模拟对其性能进行分析研究。对3组不同间隙加装不同宽度的小翼,分析了小翼在不同间隙下对于压气机性能及失速裕度的影响,以及不同宽度的小翼对于叶顶泄漏量、泄漏涡结构及轨迹的影响。结果表明:小翼结构可提升压气机的失速裕度,且小间隙下小翼结构对失速裕度的提升效果显著,其中1.0倍宽度小翼的失速裕度增加了8.73%;小翼结构可有效减少叶顶泄漏量,在叶片靠近前缘或尾缘位置加装小翼改善效果显著,泄漏量与小翼宽度成反比关系;小翼结构使得泄漏涡运行轨迹向压力面移动,形成泄漏涡的位置更加远离前缘,泄漏涡强度减弱。     

低雷诺数对透平叶片间隙泄漏流动影响的研究

采用预处理方法数值研究了低雷诺数时某小型燃气轮机透平叶栅间隙泄漏流动和气动性能.对比分析了雷诺数从4.40×104到2.55×105变化时,带间隙和不带间隙时流场的变化特性,研究了雷诺数对间隙泄漏流的影响,并和相应的实验结果及Denton预测值进行了对比.结果表明:对于间隙存在造成的流动损失,数值模拟结果与实验结果及Denton的预测值都十分接近,基本上不随着雷诺数的变化而变化;但是,随着雷诺数的减小,通道涡增强;间隙泄漏涡在和通道涡的相互作用中,强度减弱,在叶栅出口处的位置更加靠近中叶展;出口处的总压损失和气流角的分布也由于间隙泄漏涡强度和位置的变化而发生改变.     

叶尖间隙对民用大涵道比跨音速压气机性能的影响

以某民用大涵道比涡扇发动机高压压气机进口级为研究对象,数值研究了叶尖间隙对进口级高负荷跨音速转子叶片气动性能的影响。数值结果表明：随着叶尖间隙值增加,流量-压比与流量-效率特性线向左下方偏移,最大流量、最高压比、峰值效率逐渐降低;存在间隙对该跨音转子性能影响不敏感的范围值0mm~0.3mm;当间隙值大于0.3mm,最大流量的减小与间隙的增大呈现出近似的线性关系,最高压比和峰值效率急剧下降;间隙从0.3mm增加至1.0mm,转子总压损失增大了41%;叶尖泄漏流与通道激波相互作用,泄漏流穿过激波后在叶片压力面侧形成较大的高熵值损失区域,当叶尖间隙增大到1.0mm,泄漏流平行额线方向流动,使得贴近前缘的激波变得不明显;叶尖泄漏流对叶片通道主流的影响集中在叶高80%以上区域。     

大涡模拟与大气边界层研究--30年回顾与展望

对大涡模拟(LES)技术应用于大气边界层(PBL)研究30年来的发展历程、应用前景及发展趋势作了简要评述,内容包括:LES网格体积平均方程组,次网格闭合方案(K闭合、湍能(TKE)闭合、二阶闭合、动力学闭合、随机闭合、各向异性TKE闭合和非线性闭合);均匀、非均匀下垫面对流边界层(CBL)的大涡模拟,稳定边界层(SBL)、实际PBL的大涡模拟,森林下垫面流场和建筑物周围流场的大涡模拟,污染扩散的大涡模拟,LES-化学模式,对流层大涡模拟,大涡模拟对模拟域、网格及大涡时间尺度的敏感性,适用于LES和中尺度模拟的湍流方案研究等.提出了LES需要进一步研究的问题,如次网格(SGS)闭合方案,物理过程参数化方案,高分辨卫星和Doppler雷达资料的使用,与中尺度模式的连接与嵌套等;以及可能的应用领域,如大气湍流发展及湍涡相互作用,复杂地形流场及城市边界层模拟,污染扩散模拟,LES-大气化学模拟,中尺度气象模拟,数值天气预报及大气环流模式中高分辨边界层方案(大涡机制)的引入.希望能为大气边界层研究与应用中发挥LES模拟效能的成功实施起到一定的推动作用.     

CLT桨的尾流场及梢涡特性数值分析

为了探究尾流收缩叶梢负载(CLT)桨的尾流场及梢涡特性,基于商业计算流体力学软件Star-CCM+对CLT桨P1727的尾流场进行了数值模拟.计算采用DDES(延迟分离涡)方法在进速系数J=0.5的工况下对三套网格进行了不确定度分析,确认了数值方法的可行性,然后对螺旋桨的敞水性能及尾流场进行了计算.研究表明:尾流场的网格细化对螺旋桨的推力及扭矩只有微弱影响,对桨后的流场具有较大影响;尾流区域轴向速度分布分为加速流与自由流,进速系数越大,加速流与自由流的分界线向外扩散的趋势越弱;相邻梢涡之间会发生融合,进速系数越大,融合得越晚,梢涡强度越弱;CLT桨相较于常规桨多出一个端板涡,并且会与梢涡融合;梢涡在向下游发展的过程中,会有明显的收缩现象.     

三维水翼初始梢涡空泡数的尺度效应

针对梢涡流场和初始梢涡空泡数的尺度效应问题,利用大涡模拟(LES)湍流模型对三维水翼的梢涡流场流速进行模拟计算;为减少误差,对梢涡流域网格进行了局部加密处理,对未发生空化时梢涡内的轴向速度和切向速度进行计算.结果表明,LES湍流模型的流场流速计算结果与实验值吻合较好.同时,介绍了经典初始梢涡空泡数尺度效应公式的推导过程,并利用数值计算的速度环量和涡核半径修正尺度效应公式.     

压气机叶栅间隙流动的数值研究

通过加装叶顶小翼来控制叶栅间隙的气体流动已受到广泛关注。本文采用计算流体力学方法,对叶顶间隙流动进行数值模拟。结果表明,加装吸力面小翼可以延缓间隙泄漏涡的形成,降低泄漏涡的强度。在不同的叶顶间隙下,吸力面小翼的加装都能相应地降低泄漏涡的强度。在降低叶顶泄漏涡与主流混合损失的同时,提高了叶栅的气动性能。     

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.     

考虑旋转和曲率修正的螺旋桨梢涡流场模拟

应用显式代数雷诺应力湍流模型对螺旋桨尾流中梢涡流场分布进行了数值研究,为了避免过高地预报梢涡涡核内湍流黏性耗散,对湍流模型进行了旋转和曲率修正．应用全六面体网格对螺旋桨计算域进行网格划分,为了避免数值离散误差,对梢涡区域进行了网格加密处理．计算结果表明：提出的尾流中梢涡流场分布数值模拟方法能够准确预报螺旋桨梢涡流场的分布及涡核位置,并准确反映了梢涡形成和发展过程中梢涡内主涡和次涡的关系,与实验测量结果基本一致．     

改进的格子涡方法及其在混合层模拟中的应用

在格子涡方法中 ,用网格节点处的流场速度通过插值确定离散涡元速度时 ,往往会导致很大误差 ,为此 ,给出了一种改进的格子涡方法。在该方法中 ,每个时间步开始时 ,离散涡元被置于网格节点上 ,它们以网格节点处的流场速度运动 ,而在该时间步结束时 ,将偏离网格节点位置的离散涡元用涡量再分配的方法重新置于网格节点上 ,这样离散涡元总是以网格节点处的流场速度运动 ,避免了插值及其所导致的误差。对混合层流动的模拟结果表明对格子涡方法的改进是成功的。     

叶顶泄漏流对半开式离心泵叶轮流动结构的影响

为研究不同叶顶间隙下叶顶泄漏流对半开式叶轮离心泵流动结构的影响,设计5种不同尺寸叶顶间隙方案,采用SSTk-ω湍流模型,对半开式叶轮离心泵进行全流道三维数值计算,分析半开式叶轮叶顶间隙内部流动结构并进行可视化实验验证.结果表明:随着叶顶间隙的减小,离心泵的扬程和效率明显上升,间隙值减小到0.7 mm时,进一步减小叶顶间隙,泵的效率不再有明显变化;叶顶间隙选取最佳值对泄漏涡发展有一定的抑制作用.利用Q准则对涡进行判别发现:随着间隙的减小,主泄漏涡强度减弱,二次泄漏涡逐渐消失,对主流的影响减小;当间隙减小到0.7 mm时,二次泄漏涡完全消失,主泄漏涡强度最弱;叶顶间隙泄漏流对流场的干涉程度受流量影响,小流量工况时,通过减小叶顶间隙可以提高叶片区流动抗干扰能力.     

叶栅梢部与固壁间隙流动的数值模拟

通过求解不可压缩流体RANS方程，对叶栅梢部与壁面之间的粘性流动进行数值模拟，计算模型基于Chorin的人工可压缩性方法，采用Baldwin-Lomax零方程湍流模式封闭控制方程组，针对间隙流动的特殊性，采用流场分块的方法以提高网络生成质量和计算稳定性，数值计算结构和试验数据的比较表明，该方法能够准确地模拟间隙流动。     

潜艇涡量场和流噪声等效声中心的数值预报

为了实现潜艇湍流噪声及其等效声中心的数值预报,在分析SUBOFF潜艇拖曳和自航状态下涡量场的基础上,采用大涡模拟与声学边界元相结合的方法,在频域内预报了流噪声空间分布、测点谱源级曲线和声指向性,求取了等效声中心位置并分析了其受螺旋桨旋转作用的影响.计算结果表明：附体与艇体结合部马蹄涡和附体端面诱导项链形涡对是潜艇涡量场的主要特征,且马蹄涡系具有较高的强度和稳定性;附体尾涡脱落频率存在19.22Hz的线谱,且在尾涡测点谱曲线中得到明确体现;随着频率增加,流噪声蝶形指向性对应的辐射瓣状区间数随波数增加,且正横方向声压要强于首尾方向;流噪声等效声中心位于距艇艏0.46倍艇长处,在10Hz～1kHz内总声源级为95.09dB;艇艉桨对附体马蹄涡系影响较小,但促使等效声中心迅速移至艇艉.     

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。     

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．