风扇静叶扇形叶栅实验方法及其气动特性的数值研究

以高负荷风扇的末级静叶为研究对象,提出一种扇形叶栅实验方法,可以在不考虑动叶的情况下模拟静叶在压气机级内的进口气流条件,从而实现真实的静叶性能研究。利用数值模拟方法分析该方法的可行性,然后对静叶的气动性能展开详细研究,分析不同来流马赫数下的静叶流场参数。结果表明：本文提出的实验方法可以为静叶提供接近真实动叶出口条件的气流参数,该研究静叶的方法用于实验是可行的。对静叶的气动性能分析发现,进口马赫数变化对静叶中径附近20％～60％叶高影响较大,尤其是40％叶高处流场结构和参数受来流马赫数的影响最大。     

非光滑叶片对叶栅气动特性影响的实验研究

在低速平面叶栅风洞中对光滑叶片及3种非光滑叶片进行了实验研究,分析了非光滑叶片对叶栅出口流动特性的影响。实验结果表明,采用非光滑叶片改变了叶栅出口旋涡结构及流动分布,使叶栅出口的流场趋于均匀,叶片可以随更大的负荷。     

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。     

跨音速涡轮平面叶栅气动性能试验研究

为研究某型涡轮叶片根部截面的平面叶栅在不同攻角和不同马赫数下的气动性能,采用风洞吹风试验对叶栅总损失特性、出口能量损失分布、叶片表面和壁面压力与马赫数分布等气动参数变化情况进行分析.结果表明,叶栅所采用的叶型具有较为明显的后部加载特性,叶栅能量损失在较宽攻角范围内保持较低水平,且随着出口等熵马赫数的变化呈现先减小后增大的变化规律.     

透平叶栅C型网格生成技术的研究

研究了利用Ｐｏｉｓｓｏｎ方程偏微分方法生成叶栅Ｃ型网格技术，给出了其具体步骤。结果表明，该方法在控制网格线间距和正交性方面有很强的能力，对于叶栅流场的数值模拟是一种有效的、高质量的网格生成技术。     

任意旋成面叶栅C类气动杂交命题周角函数型变分有限元解

本文给出了任意旋成面叶栅C类气动杂交命题的周角函数型变分有限元解法。研制了相应的程序,成功地计算了轴流式与离心式叶栅的算例。对于给定的叶片设计厚度分布和吸力面上的设计压力(或速度)分布,应用本文的计算方法可直接解出满足设计要求的叶型型线以及流动特性参数分布。     

任意旋成面叶栅B类气动杂交命题周角函数型变分有限元解

本文建立了任意旋成面叶栅B型周角函数变分有限元方法,并成功地应用于轴流叶栅和离心叶栅的气动设计计算,从而可使叶型设计建立在更加科学和合理的基础之上。     

叶栅叶型正反设计的伴随优化方法

针对基于流场Navier-Stokes方程求解的叶栅叶型正反问题设计优化中,计算量随设计变量数目急剧增加的问题,采用伴随方法建立了集叶片几何参数化、网格生成、流场求解、伴随场求解与优化求解于一体的优化求解方法。针对反问题设计中目标控制参数分布难以给定的问题,通过分析叶栅叶型正问题优化求解结果,给出了反问题优化求解所需的较优目标压力分布。利用自主程序完成了以减弱或消除流动分离、提高叶栅气动性能为目的的叶栅叶型正、反问题自动优化求解,优化后的叶型叶栅总压损失系数分别降低了5.69%、4.50%。研究表明,叶栅叶型吸力面曲率的减小、叶片前加载和中后部逆压梯度的减小,可有效抑制叶片尾缘附近的流动分离。该研究工作对发展高效宽工况叶栅叶型设计技术具有一定的参考价值。     

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。     

极小展弦比后加载叶栅气动特性三维数值分析和实验

以数值手段分析了极小展弦比下后加载透平叶栅内的定常3D粘性流动及损失，并对该透平叶栅在不同出口Ma和进气角下进行平面叶栅吹风实验．数值方法采用3D可压缩粘性流动压力修正算法求解N-S方程及Baldwing-Lomax代数湍流模型．通过数值计算分析和平面叶栅吹风实验研究表明，后加载技术应用于极小展弦比叶栅中，可以起到控制3D叶栅损失与二次流生成和发展的作用．     

分流叶片位置对平面叶栅流动分离的影响

为更好地控制叶栅流动分离,提出一种在叶栅内部设置分流叶片的流动控制方法.采用数值模拟方法对比在不同攻角下有无分流叶片对叶栅性能及流动损失的影响,结果表明:分流叶片在大攻角条件下,更能提高叶栅的气动性能;选取攻角为11.7°,设计具有不同位置分流叶片的平面叶栅,对比分析发现分流叶片能够提高叶栅的做功能力.分流叶片轴向位置...     

轴向相对位置对串列叶栅气动性能影响的数值研究

轴向相对位置是影响串列叶栅气动性能的一个重要参数。在保证栅距方向相对位置不变的情况下,运用Numeca对串列叶栅进行数值模拟计算。对比所选取的5种轴向相对位置串列叶栅总体性能和细节流场,得出结论。合理地配置串列叶栅前后排叶片轴向相对位置,使其狭缝射流作用更为明显。逆压力梯度降低,附面层增长缓慢。二次流强度降低,前后排叶片尾迹掺混程度减弱,通流能力和扩压能力增强,总压损失降低。     

涡轮叶栅叶顶间隙泄漏流动实验研究

针对一种高负荷涡轮叶栅,利用低速矩形叶栅风洞实验研究叶顶间隙泄漏流动．研究了不同叶顶间隙和不同来流冲角情况下,涡轮叶栅的流场结构和气动性能．研究工况包括无间隙,0.5%、1.0%、1.5%叶高间隙和±10°、±5°、0°冲角．通过五孔探针获得矩形叶栅出口截面上总压、气流角以及速度分布;通过叶片表面开设的静压孔,获得叶片中部以及靠近叶顶截面的叶片表面静压分布．实验结果表明:叶顶间隙的存在增强了叶栅顶部的二次流动,恶化了上半叶展的流动状况,涡系结构发生了改变．随着叶顶间隙的增大,叶栅总压损失增加,气流偏转不足/过偏现象加剧;随着冲角的增大叶栅总压损失增加．     

叶栅气动反问题的伴随优化解法及应用

伴随方法是目前流体机械优化设计领域的研究热点,具有计算量与设计变量数目基本无关的优点。鉴于以往相关研究尚未将伴随方法用于有分离流动条件下的叶栅气动反问题设计,建立了一套集叶片几何参数化、网格生成、流场求解、伴随场求解与优化求解于一体的叶栅气动反问题的优化求解方法,从减弱流动分离的角度出发,通过给定更合适的叶片表面压力分布,完成了叶栅反问题求解。研究表明,所得叶片吸力面型线更为平缓,在所研究的2种攻角下的尾缘附近流动分离较优化前得到了有效缓解。该研究有利于发展高效、宽工况叶栅设计技术,并可为复杂流体机械部件的先进设计奠定理论基础。     

叶型气动设计的杂交型方法计算软件

将建立在气体动力学变分原理基础上的叶栅气动正问题与杂交问题有限元计算程序加以组合，构成一种具有特色的叶片型线气动设计软件，使叶栅的气动计算、叶型的设计修改以及两者的相互校核可以方便进行．采用Visual Basic和Visual Fortran混合语言编写界面操作程序，并与图像显示软件相结合，提高了设计计算过程的直观性与可操作性．     

离散伴随气动优化设计方法的紊流扩展

将离散伴随气动优化设计方法扩展到紊流环境,编程实现了相应的二维离散伴随场求解器;通过组合参数化技术、网格生成技术、流场求解器、离散伴随场求解器及优化算法,建立了透平叶栅气动优化设计平台。基于该设计平台,在紊流环境下以叶栅进出口熵增为优化目标,对某二维跨声速叶栅型线进行了气动优化设计,通过施加质量流量约束来限制优化过程中叶栅通道内质量流率的波动幅度。优化结果表明:优化后熵增降低了17.7%,验证了所开发的紊流环境离散伴随场求解器的正确性和有效性。     

汽轮机分流叶栅粘性损失的计算方法及试验

为解决多分流叶栅的粘性损失问题,研究了多分流叶栅叶片表面边界层发展情况,分析了分流叶片对主流叶片上边界层发展和分离的影响以及对整个流场的影响,在此基础上,建立了分流叶栅的损失模型和损失系数计算公式,并计算了３种类型的损失系数。通过对３种叶栅吹风试验表明,所建立的粘性损失模型和失系数计算公式与实际情况相符,提供了多分流叶栅通用的损失模型和损失系数的计算方法及程序,使叶栅设计更接近实际。     

透平动叶栅二次流涡系演变及气动特性的数值模拟

采用控制容积积分法和协调一致的求解压力耦合方程的半隐算法，数值求解了三维稳态时均N－S方程组，并应用可实现k-ε湍流模型，计算 低展弦比透平叶栅二次流涡系的演变特点及叶栅气动特性。计算结果与现有的试验结果吻合良好，表明所用的数值方法及湍流模型适用于模拟存在复杂涡系的叶栅流动，计算结果表明，与静叶栅相比较，由于动叶栅的折转角较大，且气流膨胀加速程度较小，通道内横向压力梯度对涡系的发展及叶栅的气动特性产生了更为显著的影响，使得马蹄涡压力面分支在叶栅流道进口区域即与端壁上的横向流动相融合，并很快发展成强度较大的通道涡，马蹄涡吸力面分支也会较早地受到通道涡的卷吸而消失，以致叶栅的能量损失显著增大，出口气流角沿高度方向分布也很不均匀。     

等离子体气动激励改善低速叶栅性能数值仿真

针对低速条件下等离子体气动激励抑制压气机叶栅吸力面流动分离进行研究.将表面介质阻挡放电等离子体气动激励对流场的作用等效为体积力和热的作用,并考虑等离子体温升对流体热物理性质的影响,建立了等离子体气动激励的数学模型.通过求解电势和电荷方程得到等离子体气动激励诱导的体积力和热功率密度分布函数,通过实验数据拟合得到物性参数函数,分别作为方程源项和系数加入到Navier-Stokes方程中求解.应用模型研究了等离子体激励在不同来流速度、攻角和激励强度下对压气机叶栅性能的影响.数值仿真结果表明:在马赫数为0.05、攻角为2°的情况下,施加等离子体激励后,分离点由65.09％弦长处后移到79.4％弦长,气流转折角增加0.8°,最大总压损失系数减小了7.4％,尾迹宽度减小了12％.来流速度增大激励效果会减弱,来流攻角的改变对激励效果有影响,激励强度增大对流动分离的抑制效果有明显改善.     

不同造型方法下鼓包参数对跨声速压气机叶栅性能的影响

为探究鼓包造型方法及鼓包参数对跨声速平面叶栅气动性能的影响,利用Hicks-Henne函数、CST参数化方法、Parsec描形方法以及多项插值函数分别构造鼓包,并采用数值模拟方法对具有不同造型方法及参数构造鼓包的跨声速压气机平面叶栅进行仿真研究.结果表明:随着鼓包起始安装位置的后移,由不同造型方法构造鼓包的叶栅前缘激波...