离心叶轮出口流动分离区影响因素的数值研究

针对离心叶轮出口区域的流动分离问题,对影响离心叶轮出口流动分离的3种因素进行了数值研究。研究离心叶轮扩压度影响时发现:对于闭式叶轮,叶轮扩压度对出口的流动影响较大,当叶轮的进口与出口相对速度比大于2时,设计工况下叶轮出口出现了较大的流动分离区,这与传统的设计理论一致;对于半开式叶轮,设计工况下叶轮出口均出现了流动分离,且分离区的大小随着叶轮扩压度的增加而增大。研究叶顶间隙对离心叶轮出口流动分离影响时发现:叶顶间隙对叶轮出口流动分离区的大小影响显著,就所研究的叶轮而言,并非间隙越小分离区越小,当叶顶间隙为7.5%叶轮出口宽度时,叶轮出口流动分离区最小。研究叶片扩压器进口收敛角对半开式叶轮出口流动分离区的影响时发现,增大扩压器进口收敛角可以有效抑制叶轮出口的流动分离,但是收敛角过大,叶轮叶顶间隙区域附近的叶尖回流区增大,整级的气动性能降低。     

不同导叶预旋角下离心压缩机径向间隙区雷诺应力的测量

使用X热膜技术,研究了离心压缩机设计流量下3个不同进口导叶预旋角对径向间隙区雷诺应力的影响.结果表明:进口导叶为-20°时,径向间隙区的湍流强度和雷诺应力最大,0°预旋角其次,20°预旋角最小;湍动能大的区域,相应的雷诺剪应力也较大.在3个预旋角下,10％和50％叶高处的时间平均径向雷诺应力均明显大于切向雷诺应力,显示出明显的流动各向异性,叶轮出口处的时间平均径向雷诺应力为切向雷诺应力的1.5倍以上,但在扩压器进口处减少到1.25倍左右;90％叶高处的时间平均径向雷诺应力和切向雷诺应力值相差不到10％,流动更接近各向同性.0°预旋角下流动的各向异性最强.研究显示,需要更好的湍流模型来预测流动中复杂的混合过程.     

苍鹰翼尾缘结构的单元仿生叶片降噪机理研究

利用逆向工程方法提取苍鹰尾缘非光滑形态的降噪特征元素,由此建立了仿生叶片结构模型;采用基于Smagorinsky亚格子应力模型的大涡模拟,结合基于Lighthill声类比的FW-H方程,分别对仿生尾缘锯齿叶片和标准叶片的流道模型进行了三维流场及声场的数值计算;通过分析仿生齿形结构对叶尾迹流场的影响,研究了仿生尾缘齿形结构的气流噪声控制机理.结果表明:仿生尾缘锯齿结构叶片的总A计权声压级比标准叶片降低了9.8dB;叶片尾缘锯齿结构可以改变流场噪声峰值的分布规律,从而降低了噪声峰值,且大部分频率范围内的气动噪声均有所降低;仿生尾缘锯齿结构可以改变各截面尾迹涡的脱落位置,从而增大了涡心之间的距离,抑制了脱落涡对尾迹流动的扰动,进而减小了叶片表面的非定常压力脉动和尾迹涡引起的气动噪声.     

离心叶轮几何形变对气动性能的影响

将数值流场分析方法与有限元方法相结合,利用流固耦合技术,由黏性流场分析得到流场的压力分布,并将其作为气动栽荷施加于叶片表面进行应力应变分析.再对叶轮施加离心力载荷,分析离心叶轮叶片的变形情况,从结果中提取网格结点变形量,对叶片坐标进行修正得到工作状态下叶片的型线,并再次进行流场分析.为研究叶轮工作状态下叶顶间隙的变化对叶轮性能的影响,在固定转速下分别计算了3种叶顶间隙分布情况下的叶轮性能.研究表明:气动栽荷下的叶片形变量仅占总体载荷下形变量的1%到3%左右,工作状态下叶片最大形变位置为叶顶叶尖;变形的叶根与叶顶向轮盖靠近,造成叶顶间隙减小;在叶顶间隙为0.5 mm时,叶轮出口间隙减小量最大达到原间隙的50%;由于叶顶间隙以及叶片型线的变化,使得离心叶轮等熵效率在小流量时下降0.9%～1.8%.     

离心叶轮非轴对称轮盘面气动敏感性分析

为了研究非轴对称轮盘面对高压比离心叶轮的效率、压比、堵塞流量及工况范围的影响规律，采用基于人工神经网络的非轴对称轮盘面全工况预测模型，用于预测30个形状控制参数下轮盘面对气动性能的影响。同时，结合Sobol敏感性分析方法，提取对各性能指标影响显著的敏感参数，研究了敏感参数对于叶轮性能的影响规律。结果表明：轮盘面对效率、压比及堵塞流量的控制主要取决于各个参数独立影响的线性叠加，进口附近轮盘面的凹陷有利于提升最高效率并增大堵塞流量；叶轮出口压力侧分流流道附近的凸起有利于最高效率的提升，但会降低叶轮的压比。不同的是，轮盘面对叶轮工况范围的影响主要源于3个及以上参数的高阶交互作用。利用敏感性分析结果，从经验上人为给定控制参数的取值，实现了离心叶轮非轴对称轮盘面快速优化，在设计点压比不变的情况下，使绝热效率提升了0.9%,工况范围提升了2%,说明敏感性分析可以有效缩短优化周期，从而降低优化成本。该研究结果可为今后的离心叶轮气动设计及优化提供方向性指导。     

液体活塞近等温压缩空气储能过程热力性能评估

为进一步实现液体活塞在压缩空气储能过程全局热力性能的准确与快速评估，建立了基于容器尺寸(a)和喷淋参数(b)的储能过程热力性能无量纲评价模型，探究了压缩空气在近等温储能过程的热力性能变化特性，进而明确了液体活塞设备在近等温压缩空气储能系统中的重要地位。研究结果表明：无喷淋条件下，空气侧相对温度在无量纲a达到120时变化平缓，此时液体活塞可实现接近等温压缩，而较小的a会导致空气相对温度剧烈变化；喷淋条件下，近等温压缩过程主要出现在压缩过程中期，且增加无量纲b导致a对空气侧相对温度的影响逐渐弱化；液体活塞近等温压缩空气的理想运行效率可达到95%以上，而采用D155-30型号水泵驱动的液体活塞近等温压缩储能过程仅能实现66%的运行效率。     

移动粒子半隐式法流固耦合模型及自由浮体数值研究

对流固耦合问题进行了系统的分类并在移动粒子半隐式法中建立了刚体与流体之间的单向及双向耦合模型。对二维溃坝问题和活塞式造波板的造波问题进行了数值模拟,结果与实验值或分析解符合得较好。对浮体在静水中的自由振荡问题进行了计算,浮体质心高度与理论值的最大偏差控制在0.5%以内,达到了工程计算的精度。在长板形自由浮体对正弦波浪的运动响应算例中,综合应用了单向和双向耦合模型,结果表明长度小于波长的浮体随波浪做正弦规律的起伏运动和摇摆运动,同时沿行波方向迂回前进,当浮体长度增加时,浮体运动幅度减小。     

低压透平叶片表面合成射流非定常流动控制机理研究

基于Langtry-Menter转捩模型的SST湍流模型,通过求解三维非定常雷诺时均Navier-Stokes方程,数值研究了低雷诺数下合成射流涡发生器对Pak-B低压透平叶片吸力面流动分离的影响,揭示了低压透平叶片表面合成射流非定常流动的控制机理.结果表明,引入合成射流涡发生器能够抑制甚至消除低雷诺数下叶片吸力面上的流动分离.在雷诺数为25 000、自由流湍流强度为0.08%下,提高射流控制频率有助于增强合成射流涡发生器对低压透平叶片表面流动分离的控制效果,减少流动损失.当控制频率为10Hz时,叶栅出口的相对总压损失系数为0.42;当控制频率增加到20Hz时,相对总压损失系数仅下降到0.41.这表明,当合成射流控制频率大于10Hz时,继续增加控制频率来减少叶片表面流动损失的效果是不明显的.     

高层建筑群风场的数值分析

针对高层建筑物风场和风压力的问题,采用计算流体动力学（CFD）软件对高层建筑物进行模拟,得出了单个建筑物在不同风向下的风场和风压力,并对高层建筑群进行了模拟,将其分布规律与单个建筑物进行了比较,结果表明,风在受到第一个阻碍后的区域里的漩涡分布最强烈,压力梯度最大,是最危险的受力区,在建筑群中,最靠近迎风面的建筑物所受负压最大,且建筑物之间的间距也对风场有很大影响,因此研究结果对于减少高层建筑物中大尺度的漩涡脱离区,以及降低室内噪声具有指导价值,同时也显示了CFD技术强大的分析能力及其在工程应用领域中的广阔前景。／     

管道内气液两相泡状流k—ε—kg—εg模型

从标准的单相湍流k-ε模型出发,提出了一个任意非正交曲线坐标系下模化管道内气液两相泡状流的k-ε-kg-εg模型。在该模型中,气泡湍动能的耗散受其自身耗散方程的制约,并全面考虑了气泡湍动能本身的对流、扩散、生成和耗散以及与液体之间的耦合作用。该模型在理论上比k-ε模型和k-ε-kp模型更加完善。采用该模型的数值模拟结果与试验数据吻合良好,二者相对误差在计算范围内不超过20％。