基于圆弧斜缝处理机匣的压气机叶顶泄漏流实验和数值研究

为研究处理机匣对压气机总体性能、叶顶流动非定常性以及旋转不稳定性的影响,基于圆弧斜缝处理机匣对一台单级低速轴流压气机叶顶泄漏流进行被动控制.通过实验对不同工况下的叶顶脉动压力进行频谱分析,并对比机匣处理前后压气机性能以及转子叶顶区域流场特性的变化.结果表明:圆弧斜缝处理机匣能够使压气机获得6.8%的失速裕度提升量,抑制旋转不稳定性现象对应的频谱上的宽频带凸起,推迟泄漏涡的起始位置,进而消除了跨越相邻叶片周向传播的流动现象.斜缝内形成的回流能够抽吸低速流体,减少流道堵塞,改善叶顶的通流能力.     

带有孔式机匣的离心压气机非定常数值模拟

对半开式离心压气机提出了孔式机匣处理方式并对近失速点工况下的流场进行了非定常的数值模拟.分析计算结果发现,抽吸孔对叶顶区域的低能量流体有抽吸作用,造成叶顶区域尤其是叶顶间隙内对应抽吸口位置出现压力波动区域.抽吸孔内的抽吸气流重新进入压气机入口,不仅可以增大压气机入口的局部流量,而且具有时间和空间上的周期性,对压气机入口叶顶区域的流动形成周期性的激励,使得压气机入口叶顶区域的流动也具有周期性.孔式机匣处理方式主要影响的是压气机叶片顶端的剪切流动区域,干扰了叶顶间隙内的流动,造成压气机稳定工作范围的扩大.     

自循环处理机匣对S-CO2离心压缩机性能的影响

为研究某10 MW级超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide, S-CO₂)离心压缩机采用自循环处理机匣后其稳定工作裕度及压缩机性能的变化情况,采用数值模拟计算的方法对S-CO₂离心压缩机带实壁机匣和自循环处理机匣时分别进行定常数值计算。数值计算结果表明,采用自循环处理机匣时压缩机的稳定工作裕度比采用实壁机匣时稳定工作裕度增加了4%,同时压缩机的等熵效率和压比略微提高,且流道内非超临界区域明显减少。通过对压缩机性能和流场的比较,可得出采用自循环处理机匣,将压缩机喉部的低能流体回流至压缩机进口位置,改善了压缩机内部的流动状况,提高了压缩机的稳定性。     

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%。     

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．     

基于叶顶泄漏流的机匣处理扩稳机理

为探索折线斜缝机匣处理的扩稳机理,通过定常与非定常的数值研究方法,以工作于设计转速下的Rotor 67为载体,研究其失速机理,对比不同机匣处理对Rotor 67的扩稳作用.详细地分析了各工况下不同机匣时的叶顶流场,以确定机匣对叶顶激波、间隙泄漏流的影响,分析其扩稳机理.结果表明:实壁机匣近失速工况时Rotor 67发生了叶尖堵塞型失速;转子上应用机匣处理后叶顶通道内激波向下游移动,间隙泄漏流通过激波后产生的低速气流也相应地往下游移动;缝的抽吸喷射作用减弱了间隙泄漏流垂直于弦向的动量,减小了动量比.折线斜缝机匣处理主要是减弱了转子叶顶压力面侧的低速气流,所以能扩稳,但CT2充分利用了叶顶吸压力面的压差对去除低速气流能力更强,扩稳效果最好,综合失速裕度改进量为19.0%.     

径向偏转缝式机匣处理扩稳的机理

为验证缝前端不同径向偏转的机匣处理的扩稳效果,通过定常与非定常数值研究的方法,以工作于设计转速下的rotor 67为载体,研究机匣处理对rotor 67稳定性的作用.详细地分析各工况下它们对叶顶流场、间隙泄漏流和叶顶激波的影响,确定它们对压气机稳定性的作用机理.研究发现:实壁机匣近失速工况时rotor 67发生了叶尖堵塞型失速;3种缝式机匣处理都能进行有效的扩稳,其中缝前段逆旋转方向偏转的CTP45机匣处理提高了转子的综合失速裕度27%,实壁机匣近失速工况下降低了转子效率0.98%,但提高了通过转子气流的压比,它有效地抑制了转子叶片压力面前缘的阻塞气流团,获得了最好的扩稳效果.随着流量的减小,压比的增加幅度更加明显.     

压缩机系统高阶Moore-Greitzer模型的动态行为分析

以压缩机系统不稳定现象的MG(Moore-Greitzer)模型为基础提出了其高阶Galerkin扩展形式,并进行了稳定性分析,得到旋转失速和喘振的条件:失速仅受阀门参数的影响,而喘振受阀门参数、稳定性参数两者的综合影响.然后,在压缩机性能曲线为三次曲线的典型条件下,从稳定状态到喘振状态分阶段对系统的动态行为进行数值仿真.结果表明:高阶速度扰动模态波在失速初始阶段严重影响一阶模态波,而在过失速阶段则影响不大;在相同的初始条件下,高阶扩展模型失速发展的速度比一阶模型快了约16%,因此可以更早地检测到失速的发生;高阶模型对初始扰动更加敏感.     

缝式机匣处理对跨声速轴流压气机叶尖流场结构的非定常影响

为了揭示缝式机匣处理对压气机叶顶流场结构的影响机制,采用非定常数值模拟方法,对带有机匣处理的跨声速压气机进行了细致的研究。结果表明,机匣处理作用下叶顶流场的频率特征发生显著变化。实壁机匣条件下,间隙泄漏涡的破碎和分化脱落是叶顶流场非定常波动的主要诱因。在机匣处理作用下,间隙泄漏流获得有效激励,同时脱体激波后移,二者共同作用使泄漏涡破碎得到抑制,此时机匣处理的激励频率主导了叶顶流动的非定常特性。叶顶流场涡结构分析表明,间隙泄漏涡和角区涡的交互作用在不同流量工况呈现明显差异。在大流量工况,间隙泄漏涡和角区涡的相互作用较弱,流场中存在较为独立的双涡结构,而在小流量工况,间隙泄漏涡和角区涡相互作用变强,流场中出现强烈的交互涡结构变化。     

机匣处理缝开度对压气机扩稳的机理

为了探索不同开度的缝式机匣处理对压气机稳定裕度的影响,以跨声的Rotor 67为研究对象,通过非定常数值计算方法探索了设计转速下3种不同开度的机匣处理对该转子稳定性的作用。详细分析了各流量工况下不同机匣时通过转子叶顶间隙面的气流质量和动量、叶顶的流动结构、周向平均后的总压损失分布等。研究发现:随着缝开度的增加,机匣处理的扩稳能力增强;实壁机匣近失速工况下缝开度为80%的机匣处理使叶顶间隙泄漏流减小了33.3%,最大程度的削弱了转子前缘压力面侧的堵塞气流,使激波往下游移动距离最大,减少了间隙泄漏流与主流掺混造成的总压损失。     

轴流式压气机机匣壁面静压脉动特征研究

运用小波包分析和概率密度函数分析的方法,对某型发动机节流过程中,压气机第一级静子机匣壁面静压信号的脉动特征及概率密度函数特性进行了研究。研究发现,随着发动机工作点沿共同工作线趋近喘振边界,压气机第一级静子机匣壁面静压信号中几个特定频带内信号分量的脉动幅度增强、概率密度函数分布展宽,可以作为试验发动机节流过程中气动失稳的信号特征。     

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.     

进气畸变对大涵道比发动机压气机中介机匣性能的影响

大涵道比涡扇发动机中的压气机中介机匣内存在流动分离,由此造成的损失和出口流场畸变对航空发动机的性能有重要影响。通过根部安装20%高度的扰流器以模拟径向进气畸变,对一台大涵道比涡扇发动机的压气机中介机匣开展了畸变影响气动性能的实验研究。实验结果表明：进气畸变导致进口截面的总压恢复和损失系数相较于均匀进气分别下降了0.684%和增加了9.74%;总压和和总温在通道整体高度40%以下区域亏损严重;在出口截面,进气畸变导致总压波动幅度大且40%高度以下存在低压区;出口总温由于气流的掺混明显高于均匀进气条件,出口速度明显降低。畸变气流通过中介机匣后,总温和总压分布较进口的畸变度下降且分布更加均匀;相较于进口畸变总压约30%的波动量,在出口处已经减小到了约10%。可见中介机匣对进口径向畸变沿流向的发展有明显改善作用。     

机匣引气再循环拓宽压气机工作范围的仿真研究

高压比离心式压气机高效率工作范围窄,喘振裕度低。为了拓宽其高效工作范围,将机匣引气再循环技术应用于高压比离心式压气机。采用数值模拟方法对其进行仿真研究,对各结构尺寸对压气机性能的影响进行对比。结果表明,引气再循环系统使该离心压气机各转速下稳定工作范围平均拓宽13%以上,喘振裕度最大增加11%。抽吸槽与分流叶片的距离在引气再循环结构尺寸中对离心压气机性能影响最大,其次是抽吸槽的宽度,其余结构尺寸对其影响较小。引气再循环使压气机叶轮入口相对马赫数分布更加均匀,减弱叶片前缘局部高马赫数的现象,使叶片入口正攻角减小,抑制了叶片表面边界层的分离。     

窄安全压力窗口地层精细控压下套管技术研究

针对窄安全压力窗口地层下套管存在高漏失风险的问题,以瞬态波动压力为基础,建立了窄安全压力窗口地层下套管过程井筒压力控制模型,进而提出了精细控压下套管方法。利用瞬态波动压力模型进行了下套管过程波动压力敏感性分析,结果表明,套管下放速度越大、套管下入深度越深、钻井液密度越大、环空间隙越小,下套管引起的井底波动压力越大。精细控压下套管实例应用表明,该方法既能保证套管下放速度,又能有效避免窄安全压力窗口地层下套管漏失的发生。此外,通过实例对比精细控压下套管与常规下套管发现,套管下放到井底附近,采用常规方法下套管时套管下放最大速度调节范围非常窄,很难将井筒压力维持在安全压力窗口内。     

一种求解带有机匣处理装置叶栅流场的数值方法

提出了一种数值计算带中有各结构机匣处理装置叶栅流场方法，采用圆柱坐标系下无粘定带方程组，以及参数周向平均概念，推导出新的控制方程，在子午面上有限元法进行了数值计算，选择３种典型结构的实壁机匣，周向槽处理机匣，轴向缝处理机匣为算例，并与稳态实验量结果作定量对比，发现符合较好，为分析机匣处理的扩稳机理提供了理论基础，也为工程设计机匣处理装置提供了新的数据计算工具。     

水平井压井立压控制误差分析与井口套压预测

根据水平井压井的基本原理,考虑环空摩阻、流体流型影响下的计算误差,分析了水平井与直井压井控制立压变化的比较误差.以直井井控理论、多相流理论为基础,建立了水平井井控三相流理论模型,采用有限差分方法对模型进行了数值化求解.算例分析结果表明,在水平井立压控制过程中,如果按直井方式压井,不仅在初始立压点和终了立压点存在误差,而且在造斜点、稳斜点处也存在较大的误差,这将对水平井井控作业产生一定影响.在水平井压井过程中,直到溢流全部移出水平段时水平井的井口套压才开始逐渐增加;岩屑床的存在使水平段和造斜段的环空尺寸减小,对流体流速有一定影响,使井口套压比不考虑其存在的情况时偏高;水平井曲率半径、水平段长、水平段微小倾角、多个造斜率等因素对井口套压影响不大,而井眼尺寸、压井排量、溢流量等因素对井口套压影响较大.     

涡旋压缩机排气过程的三维数值模拟计算

根据涡旋压缩机实际排气过程的特点,通过对物理模型的合理简化,建立了描述排气过程的准静态三维湍流流动数值模拟计算模型,对排气一周内不同动盘转角时刻中心腔内的流动分布及通过排气孔的流动进行了详细的数值分析.数值计算结果表明,涡旋压缩机工作腔内存在大量环流,沿着轴向在靠近排气孔0～10mm(型线高度为52mm)的范围内轴向速度很大,比同一截面内径向速度大一个数量级.从无量纲压力损失系数分布图得出,排气流动阻力损失主要集中在排气孔开启阶段,排气孔的开启特性对流动损失影响最为明显.在开设排气孔时应着重考虑孔的开启特性,纠正了目前开设排气孔面积越大越好的观点,为排气孔口的合理开设提供了理论依据.