非轴对称端壁成型技术的实验研究

通过风洞实验对三角函数非轴对称端壁成型法和压差非轴对称端壁成型法的效果进行了实验研究与考核.结果表明:与轴对称环形端壁相比,这2种非轴对称端壁使得总压损失系数都有不同程度的减小,在叶栅出口下游段距尾缘2 mm截面上,2套造型端壁流道的总压损失系数分别降低了7.78%和10.20%;在叶栅出口下游段距尾缘4 mm截面处,2套端壁造型流道的总压损失系数分别降低了9.70%和14.22%.实验还验证了2种端壁成型方法的有效性,采用这2种成型方法设计的叶栅流道能够降低叶栅的二次流流动损失,提高级效率.     

采用样条曲面非轴对称端壁成型的高压涡轮动叶气动优化

为了提升高负荷涡轮级的气动效率,发展了基于样条曲面的非轴对称端壁造型方法。以该参数化造型方法为基础,结合高效智能优化算法和经过校核的数值仿真方法,建立了涡轮非轴对称端壁设计优化平台,并以某小展弦比高压涡轮级为研究对象,以效率为优化目标,以流量为约束条件,在级环境和发动机工况下开展了非轴对称端壁优化设计。结果表明：优化设计后的涡轮动叶相对于参考设计,涡轮级的总总效率提升0.26%;非轴对称端壁造型改变了动叶下端壁附近的压力分布,动叶吸力面侧压力系数相对于参考设计显著提升,这降低了动叶叶片通道内的横向压力梯度,抑制了通道中的二次流动;非轴对称端壁造型改变了叶片通道中的涡系结构,相对于参考设计,非轴对称端壁造型使得马蹄涡压力面分支在叶片通道内部沿着叶片压力面迁移,在靠近通道出口的位置才汇入通道涡,这削弱了通道涡的强度,进而降低了气动损失,提高了涡轮级效率。     

不同马赫数下非轴对称端壁扇形叶栅流场

以某一高压涡轮导叶扇形叶栅为研究对象,通过数值和实验方法研究非轴对称端壁造型对涡轮叶栅内二次流的控制机制,分析出口马赫数增加对二次流损失特性的影响规律.结果表明:不同出口马赫数下,非轴对称端壁造型可有效降低总压损失,抑制周向二次流,削弱通道涡强度.出口总压损失系数和涡量随出口马赫数的变化而变化;出口马赫数为0.85时,改善效果最好,出口总压损失系数减小10.81%.     

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。     

大涵道比风扇角区失速模化设计及非轴优化

为研究非轴对称端壁造型对大涵道比风扇角区失速流动的改善作用,对某风扇进行了平面叶栅模化设计及非轴对称端壁优化。采用数值模拟方法,以风扇根部叶型为基础进行模化设计;在此基础上,采用两种不同的控制点分布方法对平面叶栅进行非轴对称端壁优化改型。研究结果表明:模化后的平面叶栅角区失速流动及叶片加载特点与风扇原型基本一致;采用自由曲面及类两面角曲面两种非轴造型对平面叶栅角区进行优化,叶栅总压损失系数分别降低了4.57%和5.38%;将流场改善效果较好的类两面角曲面造型应用于风扇原型角区,结果表明该造型使得风扇效率提高了0.441%,角区失速现象也得到了有效的抑制。深入的流场分析表明,类两面角曲面的非轴对称端壁造型,沿流向能有效推迟压气机平面叶栅通道涡向吸力面的发展,沿径向通过使涡结构上移减弱在端壁附近吸力面附面层和通道涡的相互作用;与此同时,对大涵道比风扇原型的角区失速流动也能起到较好控制效果。     

小展弦比叶栅非轴对称端壁造型及气动性能的数值研究

提出了基于双控制型线的非轴对称端壁造型新方法,并在某小展弦比叶栅的上下端壁上完成了非轴对称端壁造型设计.采用数值求解Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和考虑转捩模型的SST湍流模型对轴对称端壁原始叶栅和非轴对称端壁叶栅进行了详细的流场特性分析,结果表明:所提方法可以有效减少进入叶栅通道涡的低能流体,从而抑制了通道涡的发展,减少了二次流损失.由于叶栅展弦比较小,所以非轴对称端壁会影响到整个流场,使得出口气流角在整个叶高范围内有所增大,中叶展处叶片负荷下降,型面损失减少.与轴对称端壁原始叶栅相比,非轴对称端壁叶栅效率提高了0.22%,从而验证了所提方法的有效性.     

非轴对称端壁成型及其对叶栅损失影响的数值研究

根据叶栅非轴对称端壁成型的基本原理，探讨了非轴对称端壁成型的技术，利用三角函数构建了叶栅非轴对称端壁的型面，对5种不同端壁的叶栅进行了数值模拟，并采用三维时均可压缩N-S方程组求解方法，对构建的非轴对称端壁的跨音速直列叶栅进行了数值研究．结果表明：采用非轴对称端壁可有效降低叶栅二次流损失，所建立的非轴对称端壁成型方法效果比较明显；成型过程中单峰幅值控制函数要明显优于双峰函数，单峰幅值控制函数中最大幅值约占5％叶高为宜，此时计算结果显示在叶栅128％轴向弦长处总压损失降低了约4．7％。     

非轴对称端壁透平级气动性能的数值研究

采用双控制型线方法对高负荷低展弦比透平级完成了非轴对称端壁造型设计;采用RANS方程和考虑转捩模型的SST紊流模型对轴对称端壁透平级和非轴对称端壁透平级进行了气动性能的分析和对比.结果表明:非轴对称端壁造型设计方法通过降低周向压力梯度减小了透平级的二次流损失,提高了透平级效率达0.16％;静叶流场的变化引起了动叶进口条件的改变,从而导致动叶进口压力和反动度增大.     

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.     

设计工况下非轴对称端壁造型方法对涡轮动叶性能的影响

为揭示非轴对称端壁控制涡轮动叶二次流的物理机制,采用三角函数造型方法,对设计工况下某一燃气涡轮的第一级动叶进行数值研究.结果表明,只有在合适的非轴对称端壁半径扰动量下,才能获得较好的气动收益;扰动半径在5%～10%叶高内,性能会有所提升.相对于造型幅值,气动性能对造型几何位置更为敏感.本文采用的三角函数造型法主要通过合理降低横向压力梯度,推迟通道涡发展,从而减弱通道涡强度和维度,进而降低流动损失.     

端壁边界层抽吸对透平静叶栅二次流影响的数值研究

湿蒸气透平静叶栅的端壁抽吸槽常用来抽除沉积水膜以防止动叶片水蚀,但它也有可能同时用来抽除端壁上边界层以抑制二次流的发展．作者采用有限体积差分法求解了三维稳态时均ＮＳ方程组,分析了在叶栅前缘附近进行端壁边界层抽吸对透平静叶栅二次流流场、气流偏转角及总压损失系数等气动特性参数的影响．计算结果表明,在前缘附近抽吸端壁边界层可以抑制马蹄涡的发展,减弱通道涡的强度,从而减小二次流损失并提高出口气流的均匀性．     

端壁边层界抽吸对透平静叶栅二次流影响的数值研究

湿蒸气透平静叶栅的端壁抽吸槽常用来抽除沉积水膜以防止动叶片水蚀，但它也有可能同时用来抽除端壁上边界层以抑制二次流的发展，作者采用有限体积差分法求解了三维稳态时均Ｎ－Ｓ方程组，分析了在叶栅前缘附近进行端壁边界层抽吸对透平静叶栅二次流流场，气流传偏转角及总压损失系数等气动特性参数的影响。计算结果表明，在前缘附近抽吸端壁边界层可以抑制马蹄涡的发展，减弱通道涡的强度，从而减小二次流损失并提高出口气流的均匀     

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。     

端壁造型抑制角区失速的数值研究

针对跨音压气机的静叶角区分离导致失速这一流动现象,开展了端壁造型的研究．提出了与角区堵塞量相关联的轴对称与非轴对称端壁造型方法,通过数值模拟验证了此造型方法能够抑制角区分离．研究结果表明,轴对称造型方法使总压恢复系数比原型提高0．5％,而仅在吸力面侧凹曲率所形成的非轴对称造型方法,能够对角区堵塞起到较大程度的抑制,效果明显好于Rose提出的正弦函数非轴对称端壁造型．     

端壁造型抑制角区失速的数值研究

针对跨音压气机的静叶角区分离导致失速这一流动现象,开展了端壁造型的研究.提出了与角区堵塞量相关联的轴对称与非轴对称端壁造型方法,通过数值模拟验证了此造型方法能够抑制角区分离.研究结果表明,轴对称造型方法使总压恢复系数比原型提高0.5%,而仅在吸力面侧凹曲率所形成的非轴对称造型方法,能够对角区堵塞起到较大程度的抑制,效果明显好于Rose提出的正弦函数非轴对称端壁造型.     

基于熵产理论的叶栅型线优化设计

将熵产理论引入二维叶栅的优化设计中,提出了一种能够准确量化在任何位置的流场不可逆损失的分析方法.基于热力学第二定律,理论推导了湍流下的流场熵产计算公式,采用涡黏性模型对叶栅流场熵产进行计算,详细讨论了安装角、叶栅稠度、叶型厚度对叶栅性能及流动损失的影响规律.通过B样条曲线完成叶栅参数化建模,并将改进的带精英策略的非支配排序的遗传算法(NSGA2)与计算流体力学(CFD)相耦合,建立一种以最大总压升和最小熵产率为目标的叶栅自动优化方法,进而得到优化叶栅的Pareto解.与初始种群相比,优化叶栅具有更优的气动性能,在总压提高的条件下,流场熵产率减少.     

模拟退火算法在透平叶栅多目标优化设计中的应用

将模拟退炎算法与透平叶栅跨音速粘流气动计算相结合,并将其应用于透平叶栅的多目标优化设计。在多目标优化设计中,采用最小偏差法,并以叶栅的损失系数和做功能力为目标函数进行了优化设计。优化结果表明,此方法能够克服传统优化算法及易降入局部极值的缺点,因而得到了比传统算法更优的设计方案。     

进口端壁不重合对跨声速透平叶栅端壁流动和传热特性影响的研究

为了评估燃气轮机燃烧室出口与透平第一级喷嘴导向叶栅端壁不重合对叶栅端壁热负荷分布和运行寿命的影响,采用商用CFD软件ANSYS FLUENT数值研究了进口端壁不重合度(进口后向台阶结构)对跨声速叶栅端壁流动和传热特性的影响规律。计算了进口湍流强度Tu1=16%、出口马赫数Ma2=0.85时,2种进口后向台阶高度(0、6.78mm)下,跨声速叶栅端壁传热系数,并与实验结果进行了比较,验证了所提基于RSM(Reynolds stress model)湍流模型数值方法的准确性。分析了6种进口后台阶高度(0、1.5、3、5、6.78、10mm)下的跨声速叶栅端壁热负荷分布、近端壁二次流结构、后台阶涡系发展和气动损失。研究结果表明:由于进口台阶结构的影响,在叶片前缘上游区域形成了显著的再附着涡、空腔涡和辅助涡等复杂的后台阶流涡系;后台阶流再附着涡系使叶片前缘上游区域形成显著的高传热区;随着进口台阶高度的增大,该高传热区控制面积和传热系数均逐渐增大,最大传热系数增大了90%～160%,高传热区的位置逐渐向下游移动,形状逐渐由节距方向的"条形"演变为"C"字形,两端向叶栅通道内部迁移;进口台阶结构导致叶栅通道总压损失系数增大了0.17%～0.45%,台阶高度为3mm时,总压损失系数最大。     

进口端壁不重合对跨音速透平叶栅端壁流动和传热特性影响的研究

为了评估燃气轮机燃烧室出口与透平第一级喷嘴导向叶栅端壁不重合对叶栅端壁热负荷分布和运行寿命的影响,采用商用 CFD 软件 ANSYS FLUENT 数值研究了进口端壁不重合度（进口后向台阶结构）对跨声速叶栅端壁流动和传热特性的影响规律。计算了进口湍流强度 Tu1 = 16%、出口马赫数 Ma2 = 0.85 时,2 种进口后向台阶高度（0 mm, 6.78 mm）下,跨音速叶栅端壁传热系数,并与实验结果进行了比较,验证了所提基于 RSM（Reynolds stress model）湍流模型数值方法的准确性。分析了 6 种进口后台阶高度（0 mm、1.5 mm、3 mm、5 mm、6.78 mm、10 mm）下的跨音速叶栅端壁热负荷分布、近端壁二次流结构、后台阶涡系发展和气动损失。研究结果表明：由于进口台阶结构的影响,在叶片前缘上游区域形成了显著的再附着涡、空腔涡和辅助涡等复杂的后台阶流涡系;后台阶流再附着涡系使叶片前缘上游区域形成显著的高传热区;随着进口台阶高度的增大,该高传热区控制面积和传热系数均逐渐增大,最大传热系数增大了 90%~160%,高传热区的位置逐渐向下游移动,形状逐渐由节距方向的“条形”演变为“C”字形,两端向叶栅通道内部迁移;进口台阶结构导致叶栅通道总压损失系数增大了 0.17%~0.45%,台阶高度为 3 mm 时,总压损失系数最大。     

长叶片透平级多学科多目标优化设计

针对长叶片透平级优化问题,结合自适应多目标差分进化算法、基于3次非均匀B样条曲线的曲面造型技术及透平级气动和强度性能分析评价方法,建立了长叶片透平级多学科多目标优化设计系统,其中气动性能评估采用数值求解三维RANS方程完成,长叶片强度分析采用有限元方法完成。长叶片透平级的优化设计目标是比功率最大和最大等效应力最小,设计变量是透平级静叶和动叶型线的三维参数化控制参数。采用所建优化设计系统获得了长叶片透平级的7个多学科优化非受控解(Pareto解)。3个典型的Pareto解与参考叶型进行比较分析显示,优化后Pareto解下的气动和强度性能均优于参考叶型设计方案,从而验证了所建优化设计系统的实用性。