跨音速透平扭叶片的气动优化设计研究

以并行自适应差分进化算法为核心，耦合曲面造型方法以及计算流体动力学求解技术，发展了一种适用于叶轮机械三维气动优化设计的全局自动气动优化算法．利用该算法，以等熵效率最高为目标，在满足流量约束的条件下对跨音速扭叶片进行了气动优化设计．对优化结果的详细分析表明，最优叶栅的等熵效率比原始叶栅提高了1．1％，气动性能有显著的改善，算法具有良好的优化性能．在跨音速条件下，载荷分布对叶栅的气动性能有着巨大的影响，采用前加载设计可有效地减弱斜激波的强度，减少激波损失，提高流动效率．因此，通过优化叶栅型线来改变叶栅的载荷分布可有效地提高叶栅的气动性能。     

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。     

平面跨音速叶栅的优化设计

根据最优化理论建立了平面跨音速叶栅优化计算的数学模型，以跨音叶栅气动正问题的求解为基础，以叶栅损失系数ξ为目标函数，并考虑适当的约束条件，应用最优化方法，通过反复搜索，自动给出在一定条件下性能最佳的叶栅。从两种叶栅的优化设计的结果表明：优化后叶栅流场的特性得到了明显地改善，损失下降，将优化计算在叶轮机械设计领域内的应用向前推进了一步。     

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。     

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。     

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。     

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。     

高温H2O-H2系统透平设计

针对高温镁水制氢过程中产生的高温水蒸汽-氢气(H₂O-H₂)二元混合气体，为实现余热回收，提高能源利用效率，提出一种适用于高温下H₂O-H₂二元混合气体的透平设计。采用响应曲面法与计算流体动力学耦合的优化设计方法(RSM-CFD方法),设计出适用于高温H₂O-H₂混合工质的单级汽轮机叶栅结构。并应用计算流体动力学软件(CFX)对该单级汽轮机叶栅结构进行三维气动性能分析，结果表明：高温H₂O-H₂混合透平内功率为1 500 W,等熵效率达到70%,该混合工质透平气动性能优良，可满足设计要求。该设计方法对其他混合工质透平设计具有一定的指导作用。     

非均匀栅距对压气机转子-静子气动干涉噪声的影响

根据Lighthill气动声学理论,推导出非均匀栅距结构下压气机转子-静子气动干涉噪声频谱公式。研究的叶栅结构为带进口导叶的单级三排叶栅,其中动叶栅距不变,而导叶和静叶栅距均采用非均匀栅距。计算了各种叶栅结构下转子-静子气动干涉噪声的大小。对不同叶栅结构的计算分析表明：在导叶和静叶采用一定的非均匀栅距组合型式下,在保证压气机级气动性能变化不大的同时,转子-静子干涉噪声能够得到降低。     

叶片前缘造型对压气机平面叶栅气动特性的影响

为探究叶片前缘造型对压气机平面叶栅气动性能的影响规律,基于Fluent软件,采用一种径向参数造型方法对轴流压气机DMU37动叶根部5%叶高平面叶栅进行前缘改型,分析不同冲角下造型参数变化对叶栅流场气动性能的影响规律.结果表明:切削后的叶栅流场出口截面质量平均的总压损失系数变大,但较小切削深度使可计算正冲角范围扩大2°;在0°及正冲角时,切削后的叶栅静压比提高,端部区域低能流体向叶高中间位置迁移,端部区域总压损失变小;切削后的叶栅流场损失特性变化开始于前缘附近,进而影响整个流道,证明前缘对整个流场气动特性变化具有重要作用,为进一步探索前缘造型方法提供了参考方向.     

多分流喷咀叶栅气动变分有限元分析

在蒸汽透平的高压级中,喷咀叶栅的高宽比相当小,一般l/B<1,端损比较严重。为了减少这种损失,本文提出一种新的由主、分流叶片组成的多分流喷咀叶栅结构,以改善高压级喷咀叶栅的气动性能。为了对这种多分流喷咀叶栅进行全流场计算,本文采用了较先进的气动变分有限元方法。以国产30万千瓦机组高压第一压力级为例,对实际运行的带矩形加强筋的窜喷咀结构,带锥形加强筋的窄喷咀结构以及由主、分流叶片组成的多分流喷咀叶栅结构进行了全流场的气动有限元计算。从计算所得的速度分布曲线可知,带矩形加强筋的窄喷咀结构的气动性能最差,而由主、分流叶片组成的多分流喷咀叶栅的气动性能最好,它是改善蒸汽透平高压级热经济性的有效途径。     

螺旋桨气动/噪声多目标优化设计

针对某大尺寸螺旋桨开展气动/噪声多目标优化设计。基于升力面理论,开展了螺旋桨气动性能计算,通过与试验结果对比,验证了计算结果的准确性;基于Hanson频域远场噪声计算方法,开展了螺旋桨远场噪声评估;以螺旋桨桨叶沿展向分布的弦长、安装角、弯和掠为设计变量,在不改变螺旋桨桨叶数、半径和转速的情况下,以螺旋桨气动性能不降低和远场噪声降噪最大为优化目标,开展螺旋桨的气动与噪声联合优化设计,优化设计结果与高精度算法的计算结果进行了对比验证。优化结果表明,在不降低螺旋桨气动性能的情况下,优化设计的螺旋桨在1阶离散分量处的远场气动噪声降低5dB,2阶和3阶离散分量处也有明显的降噪效果。     

多级离心压缩机级间静止部件气动特性与旋涡结构的数值研究

通过CFD技术对某型多级离心压缩机内的流动进行了数值模拟,重点研究了多级离心压缩机级间装置如回流器、两类弯道内气动特点及其旋涡结构的特征,旨在揭示气流经弯道与回流器后气动参数的变化规律.结果表明,不同位置的弯道对流动的影响是截然不同的.由于这些静止部件对流体的扰动,使次级动叶的进口来流工况点偏离设计值,易于造成整机气动性能的下降.因此,多级压缩机的动叶设计应对来流的不均匀性加以充分考虑.     

汽轮机中压缸气动设计中的损失分析

运用计算流体力学(CFD)方法对300 MW汽轮机中压缸的3种反动式改型方案的内部流场进行了数值模拟.根据计算结果分析了不同方案下的流动特性和参数变化,给出了多级效率,并分析了引起级内损失的原因.计算结果表明,反动式与冲动式两种设计方法得到的叶片效率相近;而后部加载叶型能有效抑制二次流,从而降低叶栅损失;叶片的前缘直径及弯曲角度对流场中涡结构有明显的影响.     

动静叶干涉中背压扰动叶栅气动力的降阶模型

现有航空发动机气动力降阶模型的研究主要集中在叶片颤振方向,对动静叶干涉引起叶栅气动力变化的问题没有讨论。其中背压扰动是动静叶干涉影响上游叶栅气动力的重要因素。通过对背压扰动的傅里叶分解,分别计算分解背压扰动所得各谐波引起的叶栅气动力响应,由此建立了基于谐波平衡法的背压扰动叶栅气动力降阶模型。在此基础上,研究了各谐波幅值对气动力降阶模型精度的影响。算例的结果表明:提出的方法能非常好地描述动静叶干涉中背压对上游叶栅气动力的影响;根据幅值大小选择主谐波,可以在不大幅降低气动力降阶模型精度的情况下减少待定参数的个数;利用该方法可准确确定任意时刻动静叶干涉中背压扰动叶栅的气动力。     

风力机设计及其空气动力学问题

针风力机设计中的复杂多变量、多目标和多约束优化问题,提出一种基于Pareto理论的风力机多目标设计框架,并以1．5Mw大型风力机叶片设计为例,讨论了风力机多目标一体化设计的基本特点．然后由此引出风力机设计中至关重要的气动计算方法和非定常气动力建模面临的挑战,概述了风力机空气动力学的复杂性,介绍了在风力机空气动力学计算方法和气动建模方面取得的进展和存在的问题．     

主流叶片气动有限元计算及试验研究

为了减少蒸汽透平高压级中存在的严重流动损失,本文提出一种新的由主、分流叶片组成的多分流喷嘴叶栅结构,文章着重讨论了主流叶片的气动设计原理,试验表明,这些原则是成功的。     

航空螺旋桨振动特性影响因素

选取某航空活塞发动机的两桨叶定距螺旋桨为分析对象,基于通用有限元软件平台建立螺旋桨整体结构、单个桨叶结构的三维有限元模型。根据航空活塞动力装置性能参数,计算出螺旋桨在地面起飞状态下受到的气动、离心载荷,再利用有限元软件计算了螺旋桨整体结构、单个桨叶结构在无外载荷作用下的、只有气动载荷作用的、只有离心载荷作用的、气动和离心载荷同时作用的自振频率和振型。通过对计算结果的分析,发现了气动载荷、离心载荷、形状（整体或单个桨叶）因素对频率、振型的影响规律,对其他与气体有相互作用的旋转部件的振动特性计算和分析具有重要的指导意义。