轴流泵叶轮内部流动的数值模拟与实验

基于Navier-Stokes方程组和标准k-ε模型,采用SIMPLEC算法对轴流泵叶轮内流场进行数值模拟,将计算出口叶轮根部位置的速度流线分布和PIV测量结果进行对比,发现两者较吻合,由此证明了数值计算的有效性和准确性;进而分析了在不同流量工况下叶轮出口的流动结构及造成其效率降低的原因;研究了轴流泵间隙流动对轴向速度的影响.结果表明:在50%轴向弦长位置产生轴向逆流,并沿轴向下游影响稍有减弱;在50%轴向弦长处初步形成通道涡,并沿下游通道涡心向压力面靠近,通道涡在出口处已得到较大程度减弱.     

不同叶尖间隙处理对轴流压气机性能的影响

采用数值模拟方法,对一台典型轴流压气机级进行提升压气机效率和喘振裕度的叶尖间隙处理研究,除了采用斜沟槽和梯状间隙处理外,还设计了一种新颖的斜坡槽结构。研究表明:斜沟槽和梯状间隙在叶尖前端凸台附近和叶尖中部均分别存在一个回流区,其中梯状间隙对应的后台阶上游出现额外的高熵增区域;斜坡槽可以消除叶尖前端凸台处的回流区,对斜坡槽最高点轴向位置优化后可以减小叶尖中部回流区,进一步降低损失。当斜坡槽前端径向高度为0.2 mm,叶尖前缘与斜坡槽起点高度齐平,斜坡最高点后移至叶尖前缘下游6%叶尖轴向弦长位置时,压气机设计点效率较光壁原型上升了0.12%,喘振裕度提高了8.3%。     

跨声速轴流压气机转子Rotor37周向槽机匣处理的数值研究

以跨声速压气机转子Rotor37为研究对象,采用商业软件NUMECA数值研究了单槽处理机匣的轴向位置对于压气机性能及内部流场的影响。周向槽处理机匣的宽度为3 mm,深度为10倍叶尖间隙,即3.56 mm,起始位置分别位于轮缘机匣尖部型面的10%、20%、30%、40%、50%相对弦长处。数值计算结果表明:原始光壁压气机转子的失速原因为叶尖泄漏流动引发的低速区对于尖部叶片通道的堵塞,其稳定工作裕度为14.74%。采取的周向槽机匣处理能够改变转子叶尖流动堵塞状况。当机匣处理起始位置位于30%相对弦长时,压气机转子稳定工作裕度的提升量最大,相比原始压气机转子的稳定裕度提高了1.86%。     

反应器内Taylor涡胞结构的数值研究

采用计算流体力学方法对化学反应器内的Taylor涡胞结构进行了数值模拟,研究了在不同雷诺数Re条件下Taylor涡胞的结构特点及其生长方式受Re的影响规律.研究结果表明,随着Re的增加,Taylor涡胞先从上下两端部产生,并且底部固壁端Taylor涡胞的生成总要先于顶部自由面端部,随后Taylor涡胞由两端逐步向中心生长,直至系统的Re大于临界Re后,整个轴向间隙内均充满Taylor涡胞;轴向Taylor涡胞的强度并不一致,下端部固壁附近Taylor涡胞强于顶部自由面附近的Taylor涡胞,而中心位置的涡胞强度最弱.     

梯形磁通集聚器的结构设计及磁场分布特性分析

分析了微观尺寸下的梯形磁通集聚结构空气间隙处的轴向磁场放大倍数的影响因素以及磁场分布特性的影响因素。利用有限元方法,仿真分析了梯形结构的几何尺寸和材料属性对其空气间隙处轴向放大倍数的影响,得到梯形集聚结构的设计原则。同时,仿真分析了梯形结构的厚度和空气间隙长度对空气间隙处磁场分布特性的影响,结果表明,空气间隙内y=0和z=0截面上以中心点为标准的均匀度为1%的磁场分布区域占空气间隙区域的比例随着空气间隙变长或结构厚度减小而减小。研究结果能够为梯形磁通集聚器的结构设计及应用提供一定的理论参考。     

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.     

德士古气化炉冷态流场测试

在出口端结构、尺寸各异的六种有机玻璃容器(φ320×8mm,长为1182mm、1680mm)中,用激光多普勒测速仪,测定了不同射流量时的轴向速度分布,并计算了回流量、涡眼位置以及回流区的起止轴向位置。得到了筒体长度、直径、出口结构以及射流量对速度分布和回流量的影响结果,从而揭示出德士古气化炉内的流动状况,认为德士古气化炉中流场是影响化学反应结果的重要因素。     

跨声速压气机转子与缝式机匣处理的动量输运

对使用半圆缝式机匣处理的跨声速压气机转子进行定常及非定常数值模拟,对转子叶尖间隙及机匣处理开口处的轴向动量进行计算,从动量输运的角度对转子叶尖及机匣处理之间的相互干涉进行分析.转子叶尖间隙处的时均动量分布表明,机匣处理减少了转子叶尖泄漏流逆主流方向的轴向动量,从而拓宽稳定工作裕度.机匣处理与转子叶尖的叠合率越高,泄漏流轴向动量最小值的轴向位置约靠近下游,且与处理缝后端的位置一致.通过对瞬时结果的分析,综合处理缝开口处轴向动量与叶尖流场,解释了在一个转子通过周期内处理缝开口瞬时轴向动量呈周期性变化的原因.     

隔板位置对透平级凹槽叶顶传热和冷却性能的影响

采用数值方法研究了燃气透平第1级动叶带3种双凹槽的叶顶传热与冷却性能,双凹槽叶顶的隔板位于凹槽25%、50%和75%弦长位置且垂直于弦长方向(叶顶结构分别称为rib25,rib50和rib75),并与常规凹槽叶顶的透平级内效率、叶顶传热系数、叶顶气膜冷却有效度进行了对比。结果表明,在无气膜冷却时,不论是常规凹槽叶顶还是双凹槽叶顶,在凹槽底部前缘均存在高传热系数区域;相比于常规凹槽叶顶,双凹槽叶顶可以提高透平级的总等熵效率,其中rib50的气动性能最好,总等熵效率可以提高0.43%,但叶顶平均传热系数增大13.7%;叶顶中弧线位置布置气膜冷却孔后,由于叶片的旋转作用和凹槽隔板的限制,使冷气在凹槽内积累,对凹槽底部形成良好的气膜冷却效果;相对于传统凹槽叶顶,3种双凹槽叶顶的气膜冷却效率显著提高,其中rib50的气膜冷却有效度最大并且气动性能最好,带rib50叶顶的透平级内等熵效率可以提高0.36%,叶顶平均传热系数减小14.4%,叶顶平均气膜冷却有效度提高31.8%。     

螺旋芯棒式吹膜模头熔体流动特性的数值模拟

对吹塑薄膜螺旋芯棒式模头内熔体的流动现象进行了三维数值模拟。结果表明,随着螺槽的逐渐消退,螺槽内熔体的速度由入口处的沿螺槽方向流动逐渐变为沿模头轴向流动,而环形间隙内熔体的速度在入口处存在较小的环形分量,随间隙厚度的增加逐渐变为沿轴向流动。沿挤出方向,螺槽中熔体的压力等值线由垂直于螺槽逐渐变为垂直于轴向,环形间隙中熔体的压力等值线由倾斜于轴向逐渐变为垂直于轴向。     

Experimental study on the unsteady flow betweenrotors of counter-rotating fan

A more accurate calibration and measurement technique with a single wire velocity measuring instrument is used to study the unsteady velocity between the rotors of a counter-rotating axial fan, and some special concluding remarks of unsteady effects were obtained. The unsteady potential influence of the downstream rotor is a dominant factor; the wake disturbance of the upstream rotor is less important. The radial velocity is mainly affected by the vortex strength of the secondary flow at the upstream blade tip and hub region.These results are important for elucidating the mechanism of unsteady flow in a counter-rotating axial compressing system.     

叶顶间隙对轴流泵外特性及空化性能影响研究

为探究叶顶间隙对轴流泵外特性及空化性能的影响,基于修正的SST k-ω湍流模型和Z-G-B空化模型,对350ZQ-70型潜水轴流泵进行数值模拟,对比分析不同叶顶间隙下轴流泵的外特性曲线、叶轮流道内的压力脉动、空泡体积分数分布等.结果表明:随着间隙的增大,泵扬程和效率降低;小流量工况下流动失稳现象明显加强,扬程曲线会出现驼峰现象;进口边近轮毂侧比近轮缘侧更易发生空化;设计流量下,轮缘间隙空化首先出现在叶片中部,而不是叶片进口;叶片背面空化会影响相邻叶片工作面压力分布;存在临界间隙值,未达该值前,间隙增大主要降低叶轮的做功能力,对空化性能影响不大,超过该值后,空化稳定性降低,诱导压力脉动;对于实验泵,临界值在1.5~2 mm;随着间隙的增大,轮缘处空化程度不断增强,进口边空化程度反而有所减轻;根据轴流泵叶轮组装结构,从保护轮毂叶轮体的角度考虑,兼顾做功能力和运行稳定性,实验泵选择间隙为1.5 mm较为合适.     

轴向间距对二次水滴运动特性及沉积规律的影响

基于有限体积法、计算流体力学研究了某核电大功率汽轮机次末级的二次水滴侵蚀问题,采用Lagrangian方法求解了水滴的离散输运方程,利用Eulerian方法求解了叶栅内蒸汽的流动,并为叶栅通道内的汽相流动与水滴运动建立了数学模型.在定常条件下,通过轴向间距对二次水滴运动特性及沉积规律的影响研究发现:脱离静叶尾缘的水滴在叶栅通道空间中均呈现出向上端壁倾斜的运动趋势,由此获得了叶栅通道中水滴在各固壁面的沉积率;加大轴向间距可以减小二次水滴对动叶片的撞击速度,增大大颗粒水滴抛落到轴向间距上端壁的沉积率.所以,依据大颗粒水滴的集中沉积区域可以确定动叶表面去湿沟槽的适宜位置,该位置应位于吸力面上半部的前缘至中弦区域之间.     

焊接管节点结构的加固方法研究（英文）

管节点结构中主管沿着径向的刚度通常要远小于支管的轴向刚度,因此破坏部位很容易发生在主管和支管相贯线附近的主管表面上.为了改善管节点的承载能力,有必要对其进行加固.本文介绍了几种加固方法,如内置加劲环加固、环口板加固、内置插板加固和主管壁厚加固等.根据一些相关的试验报道,采用有限元方法对几种加固方法进行了评价.     

圆钢管混凝土T型节点在轴向作用力下静力性能研究

T型圆管节点在支管轴向力作用下,破坏位置一般出现在主管表面的焊趾处.主要是因为主管的径向刚度远小于支管的轴向刚度,并且节点部位存在较大的应力集中.为提高T型管节点的静力强度,可通过在主管中填充混凝土以提高其径向刚度来实现.为了研究主管填充混凝土对T型管节点静力强度的影响,用有限元分析软件(ABAQUS)首先对6个模型分...     

轴流压气机可调静子叶片间隙泄漏流数值研究

为了探究轴流压气机前面级可调静子叶片部分间隙泄漏流对压气机性能和流场的影响,通过数值方法模拟某轴流压气机带有可调静子叶片的前面级1.5级流场,并详细分析了部分间隙泄漏流特征。数值仿真结果表明,相较带容腔原型算例,部分间隙使得压气机特性线往左下方偏移,设计点效率降低0.12%,近失速点效率降低1.83%,但喘振裕度提升6.4%;可见受到部分间隙泄漏流影响,静子叶片根部出口气流角明显增加;部分间隙泄漏流可以给吸力面根部角区低能流体充能,降低设计点端壁处的损失,降低近失速点吸力面分离涡的强度,提升喘振裕度;根部部分间隙造成叶片根部做功能力降低,但影响范围控制在5%叶高以内;部分间隙造成静子根部流场发生改变,使得设计工况点静子根部产生一条附着线,并形成闭式分离。     

T型、N型圆管相贯节点滞回性能实验

对T型、N型圆管平面相贯节点进行循环加载的拟静力实验,以研究两种节点的抗震性能,对象为单个足尺寸的相贯节点。在支管循环加载的过程中对主管施加固定轴向荷载。在主管壁产生局部屈曲后,背向加载支管一侧的主管壁上产生了斜向条纹。节点最终的破坏是主管只管交界处的焊缝根部的裂纹发展直至断裂。实验得到节点滞回特性曲线。能量分析表明,T型节点在受压半周的耗能能力与受拉半周相近,N型节点受压半周的耗能能力强于受拉半周。2个实验节点在循环荷载作用下均具有良好的塑性变形能力。     

动叶优化对跨声速压气机级性能影响的数值研究

为研究动叶优化对于整级性能的影响,用优化动叶代替原型动叶在0.8~1.1倍设计转速进行了数值研究。结果显示,动叶优化后整级的通流能力得到提升,设计转速下堵塞流量较原型提升了0.53%;级性能得到了提高,在1.0倍和1.1倍设计转速时最高效率分别提升了0.45%、0.44%。0.8~0.9倍设计转速时,压比和效率变化不明显;动叶流道内激波结构变化不明显,叶顶和叶根的激波强度有所增加,中径处激波强度降低;动叶优化后,静叶叶顶区域进口气流角明显增大,恶化了静叶叶顶吸力面的流动状态,导致静叶吸力面叶顶分离区增大,静叶出口总压损失系数增加。