轴流压气机失速起始特性试验

在一台双级低速轴流压气机上进行了均匀进气时的失速起始特性实验研究。利用压气机周向、径向和轴向不同位置的多个动态压力传感器,捕捉到了压气机失速起始过程中不同位置动态压力信号的变化情况,表明压气机的失速起始具有三维非定常特征。压气机在失速前出现了模态波扰动,其传播速度为34.5%转子转速。首先在第2级转子的尖部诱发小失速团,该小失速团的周向范围和旋转频率与充分发展的失速团相同,但不稳定,它同时向下游、径向和上游3个不同方向快速扩展,在扩展过程中周向范围和旋转速度不变。通过对动态总压信号频谱分析和小波分析,发现导致压气机失速的主要原因是第2级转子部分叶排叶尖区域吸力面附面层出现了较大的分离,造成气流堵塞,诱发小失速团。     

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%。     

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.     

低速轴流压气机三维流场测量与失速特性分析

在近失速和失速状态下,利用五孔探针对单级轴流压气机转子前后的三维流场进行了详细的测量和对比分析。基于失速状态下进出口壁面静压的动态变化,对失速区的空间结构和气流参数的动态变化规律进行了研究,建立了描述失速区气流参数变化的微分方程模型,并根据实验数据对模型进行了校验。结果表明,失速区内发生了回流,回流的速度方向与主流的夹角约为110°。回流区占据的径向范围为70%叶高以上,轴向范围为静子前部区域。在失速区内,压力、速度等气流参数随时间进行振荡衰减。该动态变化过程可以用二阶系统来描述。     

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.     

离心压缩机无叶扩压器的三维失速模型

提出了一种离心压缩机系统内无叶扩压器失速的三维理论模型.该模型采用线性化的三维欧拉方程分析扩压器内的流体不可压缩流动,采用有限差分法和奇异值分裂(SVD)法进行求解,以预测无叶扩压器失速的临界来流角和失速团相对转速.结果表明,在三维情况下,无叶扩压器失速的临界来流角和失速团相对转速除了受到扩压器几何尺寸的影响以外,还受到扩压器入口流体平均径向速度的轴向分布的影响.与二维模型相比,三维模型所得到的预测结果与实验结果更相符.     

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%.     

高填方边坡下涵洞受力变形数值模拟研究

对某型低速轴流压气机转子和NASA Rotor 37跨声速转子进行了全通道定常和非定常数值仿真研究,采用了喷管模型和节流阀模型作为出口边界条件来取代常规的边界条件设置方法,分别通过调节计算域出口面积和节流系数的方法改变转子工作状态。计算结果显示:与出口边界采用固定背压值的方法相比,采用喷管模型和节流阀模型能够准确计算转子失速前后各个工况点的流动状态。采用节流阀模型时,通过调节节流系数能够准确地判定转子失速临界点,在继续节流的过程中能够计算出失速时转子通道内失速区的形成与发展情况。研究发现,叶尖区域流动失稳即叶尖局部回流区的出现和扩展在这两型压气机转子的失速过程中起重要作用。其中低速轴流压气机转子全通道非定常计算发现,在失速时转子叶尖部位首先出现两处回流区,且回流区范围随转数增加而扩大,最终形成相对明显的失速团结构。     

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。     

旋转连铸结晶器内钢液流动行为的水模型实验

采用水模型试验,研究了旋转连铸环行结晶器内钢液流动行为·通过改变参数(流量、结晶器转速、水口浸入深度),考察其对流场以及卷渣倾向的影响·参数改变,流场变化规律的总趋势并无明显改变,只是流股的最大喷射距离、到达结晶器外壁附近的速度及回流区的位置和液面附近的速度发生变化·研究结果表明:流场中的速度分布受流量、结晶器转速、水口浸入深度的影响     

组合机匣处理对跨音压气机流动特性的影响

针对当前单一流动控制技术在压气机优化方面存在影响范围不大、性能提升有限的不足,提出了一种轴向倾斜缝和抽吸槽相结合的组合机匣处理结构,采用定常数值模拟研究了两种流动控制技术的结合对跨音压气机流场特性及性能的影响。模拟结果表明:应用该组合机匣处理结构后,转子在峰值效率下降2.5%的前提下使失速裕度提高了5.52%,明显改善了转子的性能;组合机匣处理除了能同时改善叶顶和端壁的流动之外,两种结构的复合影响使激波强度降低、流体分离减弱,低速范围明显减小;尽管两种结构的相互作用能为低能流体提供能量,但射流与主流流动发生的掺混带来了一定的掺混损失,增加了主流的切向动量及二次流损失,引起转子效率降低。     

熔体吹气发泡法制备泡沫铝的准三维数值模拟

为了分析气泡与铝熔体间的相互作用及汽液两相流动特性,提出准三维模型,即用多重参考系法模拟横向桨叶平面,用边界条件模型模拟纵向平面的搅拌过程,并将两种方法进行耦合;应用双流体模犁模拟气液两相流场,标准k-ε湍流模型模拟液相流场的湍流效应.计算结果表明,最大周向速度在桨叶端部附近,桨叶上下方,各形成一个回流区,气体射流作用下,流场内旋涡较强;平均含气率随着气体流率及桨叶转速的增大而增大.     

非平行壁面无叶扩压器失速的三维模型

为了研究离心压缩机系统内非平行壁面无叶扩压器的失速问题,提出了一种三维模型.首先采用强隐式方法（SIP）求解扩压器内的平均流动,然后采用奇异值分裂（SVD）方法求解离散后的线性化三维欧拉方程,得到了非平行壁面无叶扩压器失速时的临界流量系数和失速团相对转速.研究的非平行壁面轮盖型线包括单收缩型、先收缩后扩张型以及等面积收缩型.结果显示,无叶扩压器的轮盖型对临界流量系数和失速团相对转速都有重要影响,收缩型轮盖面可以有效抑制无叶扩压器失稳,对于较长的扩压器抑制效果更为明显.此外,非平行壁面无叶扩压器的失速临界流量系数还受到入口马赫数、扩压器出入口半径比的影响.     

空间傅里叶分析在离心叶轮失速信号识别中的应用

在叶轮失速流场中,由于小流量工况下回流而导致部分通道阻塞,单通道计算无法真实反映失速发生过程,因此为了识别离心叶轮失速信号,首先采用数值方法对Eckardt离心叶轮设计工况和失速工况实施全通道非定常流场计算.对比分析设计工况和失速工况三维流场流动涡分布,离心叶轮由于径向折转和叶片扭转,在设计工况下就存在低速二次涡,而失速工况下在入口存在4个对称分布的通道涡,造成叶轮阻塞并导致失速.进一步采用空间傅里叶分析方法对不同叶高、不同流向位置周向压力信号进行定量分析,结果表明:(1)设计工况下流道中仅存在受叶片通过影响的20阶扰动,而失速工况下4阶扰动振幅最大,并存在振幅逐渐减小的倍数阶扰动,即此时叶轮中存在4个失速团;(2)引起叶轮失速的流动涡首先出现在入口近叶顶区域,导致叶轮入口阻塞,并逐渐发生涡脱落、破碎进而形成新的流动涡,并向流道下游移动;(3)通过对振幅最大的4阶扰动相位变化分析,得到失速团周向运动速度约为0.62～0.73倍叶轮转速.最后通过与不同流向位置静压信号时间傅里叶分析结果对比,确定空间傅里叶分析能准确识别叶轮中失速团个数及周向传播速度,可有效应用于失速信号识别和进一步对叶轮流场失速信号的实时监测、主动控制和优化设计.     

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.     

多级轴流压气机末级静子叶片串列改型方法及流动机理研究

针对多级轴流压气机末级静子叶片转折角大、角区分离严重、流动损失显著的问题,以某工业用6.5级轴流压气机末级静子为主要研究对象,提出了一种三维串列叶片几何参数化建模方法,能够实现对串列参数沿叶高分布规律、叶片弯掠等三维特征的灵活控制,以支持单列叶片向串列叶片的改型设计,并结合数值计算方法,开展了末级串列静子改型设计对压气机气动性能及内部流场的影响研究。结果表明：对6.5级轴流压气机,末级静子叶片由单列改为串列后,6.5级压气机设计工况绝热效率提高了0.965%,稳定工况范围有所拓宽;串列叶片缝隙区射流的流动局部加速作用能够抑制角区分离的周向和径向发展;相比机匣附近,轮毂附近串列参数的变化对压气机气动性能的影响更为显著,且周向交错度较轴向重叠度的影响更大。研究成果对多级环境下压气机三维串列叶片设计具有参考价值。     

内插新型转子圆管的管内流阻和转子旋转特性

在已有螺旋转子结构的基础上,提出一种改进型转子结构,以便减小内插转子引起的阻力增加。对内插不同结构参数新型转子的管内流动阻力及转子旋转特性的实验结果表明:流速较低时新型转子即可旋转,转子转速与来流速度近似呈线性关系;转子叶片螺旋角对流动阻力及转速影响较大,正反旋向转子相间放置既可解决转子同向布置时沿流体流动方向转子转速逐渐减小的问题,又可使流阻进一步降低。通过合理选择转子结构参数,可使流动阻力比光管的仅增加2.5倍左右,远低于内插原有转子时的阻力增加。     

流体遇障碍物后流动的初步发展数值模拟

利用ANSYS软件建立了四种形状的障碍物模型,对流体流经不同形状障碍物后流动的初步发展情况进行数值模拟,分析了流体流经过不同形状障碍物的流场,同时比较了不同来流速度下流体流经障碍物的流场变化。结果表明,随着来流速度的提高,流体越过障碍物后的主流速度提高,同时流体流经各障碍物时均出现了边界层分离,即回流现象,且该回流区随着来流速度的增加而增加。当流体越过半圆形障碍和曲线障碍时,边界层分离出现在障碍的拐点位置附近;而当流体越过三角形障碍和矩形障碍时,在其最高点位置处即出现边界层分离,且出现的回流区比半圆形障碍和曲线障碍下出现的回流区大。     

基于OpenFOAM的旋转弯曲通道内流动的数值模拟

离心式叶轮机械的叶轮通道内的流体流动受到旋转效应与曲率影响而产生强烈的二次流现象.二次流是叶轮通道内流动损失的一个原因,对离心叶轮机械的性能产生不利的影响.应用开源CFD软件OpenFOAM对旋转情况下的90°弯曲通道内的不可压缩流体流场进行三维黏性数值模拟.研究了弯曲通道在不同转速下哥氏力与离心力共同作用对主流速度、二次流及压力特性的影响规律.结果表明:与静止通道相比,旋转产生的哥氏力在弯曲管段形成不对称的二次流,使通道内涡结构变得复杂;甚至在较高转速下二次流方向发生反向.     

轴流压气机旋转失速特征分析方法

鉴于压气机失速特征分析通常借助时域信号或傅里叶变换频域信号完成,较难捕捉其瞬态特征,为此将具备辨识信号瞬时细节特征的小波分析法引入轴流压气机旋转失速的特征分析中,基于节流阀模型,对某跨声速压气机转子进行了准三维非定常数值模拟,并对压气机在失速过程中静压信号的瞬时细节特征进行了小波分析.结果表明:给出的分析方法能够有效地捕捉到压气机稳态失速和动态失速过程的时频特征,可应用于压气机失速特征信号的检测和分析.