弯掠翼叶轮内流二次涡系的计算机数值仿真

采用非交错网格下的曲率时间尺度K-ε湍流模型和纳维斯托克斯方程线求解，对宇宙航空用弯掠叶轮和基准叶轮叶道内部三维粘性速度场进行了数值仿真，分析了叶轮流道内部通道涡等复杂二次涡系结构的流谱特性及其对气动性能特别是旋转失速的作用机理．研究表明：弯掠叶轮流道内通道涡、刮擦涡有效卷吸翼顶边界层低能流体，抑制了翼顶部的流动分离和旋转失速，有利于失速裕度的扩大．数值仿真结果为弯掠叶轮的计算机辅助设计提供了改进指导信息．     

弯掠动叶对旋转失速流场的影响

给出了弯掠动叶和径向（常规）动叶旋转失速工况下流场的实验结果，论述了这两种叶片在变工况下的性能差异以及弯掠动叶对旋转失速特征参数的影响，进行了失速前后有关试验数据的对比分析，讨论了弯掠动叶引起旋转失速流场变化的机理及对流场的改善作用．     

对转压气机三维掠动叶优化设计

为探索三维掠动叶降低对转压气机二次流损失的潜力,进一步提高对转压气机气动性能,基于近似函数与遗传算法,针对某对转压气机双排转子在整机环境下进行三维掠动叶优化设计,并对优化前后流场进行对比分析。优化成功的得到了双排“S”形掠动叶,结果表明:三维掠动叶有效改善了双排动叶吸力面径向二次流,减小了吸力面低速区,提高了对转压气机性能,优化工况点整机效率提高0.6%,全工况范围内效率均有所提高；三维掠动叶提高对转压气机效率的根本原因是其对径向负荷分配的重新调整,将叶展下方流动较差区域负荷移至叶展上方,改善流场的同时保证对转压气机负荷不变。      

掠形叶片轴流风机涡流噪声的研究

通过将掠形叶片沿径向分为N个叶元体,推导了第k叶元体与气流相互作用诱发的叶元体尾缘涡流噪声模型与轴流风机的涡流脱落声学模型,通过实验验证了理论模型的正确性,并分析了叶轮结构参数与涡流脱落噪声的关系．     

相同工况下叶片的不同周向弯曲对低压轴流风扇性能影响的对比分析

以低压轴流风扇叶片为研究模型,对不同周向弯曲叶轮的三维粘性流场进行了计算.通过对比分析,讨论了它们在气动性能上各自的特点,同时利用试验的方法对上述计算进行了验证.结果表明:计算值与试验测量结果吻合得较好;在相同工况下做比较发现,叶片适当的周向前弯虽然造成全压和效率有所下降,但却改善了上、下端壁附近的流动状况,延迟了流动分离的出现,大幅度拓宽了叶轮的稳定工作范围.通过综合的评价和分析,最后给出了改善叶轮性能的周向前弯角度范围.     

多级压气机通流与CFD一体化优化设计方法

针对S2流面求解的通流计算方法与全三维黏性求解的计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）方法是叶轮机械气动设计与分析的主要技术手段。该文基于一套自主开发的流线曲率法通流计算程序，建立了适用于多级高负荷轴流压气机的通流与CFD一体化优化设计方法。该方法由通流与CFD一体化气动分析方法和基于改进智能优化算法的设计优化方法构成。研究将其应用于某跨音三级压气机中，对其中的跨音动叶边界层分离流动问题进行合理定位。针对第一级动叶（R₁）与第三级动叶（R₃）开展优化设计，分别获得了三级压气机效率提升0.1%和0.3%的优化设计方案。研究表明，该方法能够实现通流与CFD分析方法优势互补，同时把握气动布局设计与细节流场结构特征，从而高效定位压气机气动性能与流场结构问题及其与叶型设计或气动布局的关联，指导优化设计方向。     

基于弯掠参数控制的压气机动叶优化设计

通过数值模拟方法对NASA Stage35单级轴流压气机原型性能进行计算,选取合理的Bezier和B样条拟合曲线控制点个数来完成压气机动叶参数化拟合,获得参数化叶型.基于人工神经网络和遗传算法相结合的优化设计体系,通过控制叶片的弯掠特性参数对动叶进行寻优计算,最终提高压气机绝热效率.对比发现,对动叶的弯掠特性进行优化可以改变激波位置,减小叶片表面附面层的分离区,优化流场通道内的流动结构,减少流动损失,从而有效提高压气机的绝热效率.     

弯掠翼叶轮内流压力场的计算机数值仿真

采用计量流线曲率和旋转流动的改进的曲率时间尺度k-ε湍流模型和Navier-Stokcs方程组求解，对宇宙航空弯掠翼型叶轮和对比用基准叶轮的内流压力梯度场进行了计算机数值仿真，分析了压力梯度场的变化规律及其作用机制．仿真结果表明：弯掠叶轮数值仿真必须选择计量曲率和旋转影响的改进湍流模型；弯掠翼型形成的C型压力梯度场有益于抑制低效流；可以通过移动积迭点位置调整压力梯度以控制内流场．     

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。     

轴向尺寸限制下的低压轴流风扇自动优化设计

针对空调低压轴流风扇轴向尺寸受限制情况下的自动优化设计问题,基于B样条曲线,采用基元级设计和复合弯掠技术相结合的参数化方法构建轴流风扇三维模型.将轴流风扇叶轮参数化方法、商用数值计算软件ANSYS和第二代非支配排序遗传算法(NSGA-II)耦合.在叶轮轴向尺寸限制下以容积流量和静压效率为目标函数,建立起集参数化建模、网...     

矿用2K60系列风机安全运行的模态分析试验研究

从分析叶轮机械叶栅尾缘的流场结构出发,提出了叶轮机械尾缘下游流场存在周期性气动激振力的观点,给出了确定气动激振力频率的方法。认为气动激振力是导致动叶片破坏的根源,应用模态分析试验方法,确定出了２ Ｋ６０ 系列风机原动叶片的前６ 阶模态振型,找到了造成动叶片损坏的原因。针对上述原因,提出了解决问题的措施,并在生产现场得到了实际应用。情况表明,理论分析与试验结果相吻合。     

叶片前缘倾掠对离心叶轮气动性能的影响

为了研究叶片前缘倾掠对离心叶轮气动性能及稳定工况范围的影响,在叶片前缘处沿子午面弦长方向进行叶尖前掠、叶尖后掠、叶根前掠、叶根后掠,实现了4种不同的叶片前缘倾掠。研究结果表明,对跨声速离心叶轮,叶尖前掠和叶根前掠可提高叶轮最高等熵效率和压比;叶尖后掠对叶轮等熵效率影响很小,但可降低叶轮压比;叶根后掠使叶轮等熵效率和压比均有所降低。同时,叶尖前掠和叶根后掠可提高其失速裕度,叶尖后掠和叶根前掠则可减小其失速裕度。为了便于比较,还研究了一个亚声速叶轮。研究发现,与跨声速叶轮相比,叶片前缘倾掠对亚声速叶轮的等熵效率和压比影响更小,但对失速裕度的影响和跨声速叶轮相似。对跨声速叶轮,叶尖前掠是提高其等熵效率、压比和失速裕度的一种有效方法。     

非轴对称弯掠静叶对畸变流场影响的数值研究

为探究非轴对称弯掠静叶在压气机中应用的可行性以及弯掠静叶参数对畸变流场的改善效果,以扇形叶栅试验件为研究对象,采用计算数值模拟方法,研究非轴对称弯掠静叶几何参数对畸变流场的影响.在受进口畸变影响较为严重的位置,设置正弯、反弯、前掠、后掠静叶,构成不同非轴对称静叶造型方案,探究其对静叶流场的改善.结果表明:最佳反弯方案Nbow-0.5-10可使流场损失减小2.75%;前掠对于根部损失可起到较好的抑制作用;后掠对根部损失改善效果略逊于前掠,但有利于减小主流区的损失.     

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,验证了计算方法的准确性;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量最大为优化目标,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5 dB,2阶和3阶离散分量处也有明显的降噪效果。     

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。     

前缘弯掠(扭)斜流转子叶尖脱落涡的PIV研究

应用PIV技术测量了一开式前缘弯掠(扭)斜流转子的叶尖脱落涡的结构及其发展演化趋势,测量结果表明,叶尖脱落涡产生于叶片顶部区域,沿着一条与转子旋转方向相反的斜线向下游发展．叶尖脱落涡的强度随叶轮转速的提高而增强,随背压的提高而减弱,当背压增加到一定程度时,叶尖脱落涡消失．实验结果为前缘弯掠(扭)斜流转子在大型中央空调室外机上的应用和优化设计及其降噪提供重要的内流实验数据．     

采用遗传算法的离心叶轮多目标自动优化设计

针对离心叶轮多目标自动优化设计,首先提出了一种离心叶轮参数化方法,通过对离心叶轮型线数据进行转换,分别建立了圆柱坐标系下叶轮控制参数与归一化长度参数之间的关系,采用非均匀有理B样条进行叶型重构,获得叶片和叶轮子午流道构型.将离心叶轮参数化方法、多目标遗传算法及商业化数值计算软件NUMECA相结合,建立起离心叶轮自动优化设计平台.以总压比和效率为设计目标,在设计工况下,采用该方法对Krain高速离心叶轮进行气动优化设计,获得一系列优化叶轮,并采用数值模拟方法对叶轮内部流动特性及其气动性能进行了比较分析.结果表明,优化叶轮的总体气动性能有不同程度的改善,在叶轮出口截面上流场分布更加均匀,总压比和等熵效率约提高了2.5%和1.0%,同时也验证了所发展的多目标离心叶轮自动优化设计方法的有效性.     

泵喷推进器低噪声优化设计

以某水下无人潜航器为研究对象,在验证所用方法可信性的基础上运用旋转机械三维反问题设计方法、计算流体力学及计算声学等方法对泵喷推进器进行以降低噪声为目的的优化设计.研究结果显示:对泵喷推进器叶轮施加侧斜、纵斜及叶稍卸载可有效削弱叶轮和导叶之间的相互作用,进而明显降低了叶轮辐射噪声,通过进一步缩短叶轮的叶顶弦长来降低叶轮与导管内壁面之间的相互作用,泵喷推进器静止部件噪声和推进器总噪声均显著降低.     

叶轮机械气动优化设计中的近似模型方法及其应用

针对在工程中完全采用随机类优化方法寻优时计算量过大的问题，应用统计学的方法发展了计算量小、在一定程度上可以保证设计准确性的近似模型方法．在气动优化设计过程中，用该模型取代耗时的高精度的计算流体动力学分析，可以加速设计过程，降低设计成本．基于统计学理论提出的近似模型方法有效地平衡了基于计算流体动力学分析的叶轮机械气动优化设计中计算成本和计算精度这一对矛盾，在离心压气机叶片扩压器、叶轮和混流泵叶轮设计等问题中得到了成功应用，展示了广阔的工程应用前景．目前，已经建立了离心压气机部件及水泵叶轮的优化设计系统，并在工程设计中发挥了重要作用．     

低压轴流风扇性能的改善

在轴流叶轮常规准三维设计方法的基础上,采用前缘弯掠技术,运用CFD/CAD方法对空调器轴流风扇进行耦合设计,并且应用三维纳维-斯托克斯方程和Spalart-Allmaras湍流模型分别对国外样机风扇和新风扇进行了数值分析与性能实验.实验测试结果和内流计算结果符合较好,验证了设计方法的可行性和数值计算的有效性.研究结果还表明,采用大前弯角度和前掠角度的新轴流风扇减小了叶道中二次涡的影响范围,主流区域增大,基本消除了前缘分离现象;在气动性能基本保持不变的情况下,风扇噪声可降低0.5～1.3dB(A级声压级).