跨声速压气机转子叶顶区域流场非定常计算和POD分析

采用时间精确求解法对跨声速轴流式压气机转子NASA Rotor35单流道进行了三维非定常数值模拟,研究了叶顶区域流场的时间非定常波动特性。将叶顶区域流场的非定常解作为快照,采用本征正交分解(POD)方法提取POD模态,进一步分析了叶顶近失速点流场的流动特性。结果表明:在近峰值效率点的大质量流量工况下,叶顶区域流场呈现出稳定性,基本不发生随时间波动的特性;在近失速点的小质量流量工况下,叶顶区域流场呈现周期性的波动特性,由激波与叶顶间隙泄漏涡形成的破碎、通道中部未形成泄漏涡的相邻叶片泄漏流流线以及来流一起形成的叶顶二次涡是叶顶非定常周期性波动形成的必要条件。     

基于SPOD方法的压气机转子叶顶区域非定常流动分析

为了研究叶顶区域非定常流动特性,对跨声速轴流压气机转子NASA Rotor37在多工况下进行了三维非定常数值模拟,采用谱本征正交分解（Spectral Proper Orthogonal Decomposition,SPOD）方法从叶顶区域流场中提取出时空耦合的单频相干结构进行分析。研究结果表明：相比于常规分析方法,SPOD方法能够高效地从非定常流场中识别出流动特征,有助于揭示叶顶区域流动规律;在“小流量”工况下叶顶区域流动呈现出强的非定常性,且随着质量流率的减小叶顶区域非定常流动增强、波动范围增加、波动频率呈现出“阶跃式”下降;造成叶顶区域流场非定常周期性波动的主要原因是叶顶间隙泄漏涡破碎区的扰动以及叶顶间隙泄漏涡破碎后与主流相互作用所形成的叶尖二次涡的波动。     

汽轮机末级旋转不稳定性研究

基于汽轮机低压末级流动的非稳态数值计算结果,研究了低质量流量下低压末级流道发生的旋转不稳定现象。为了更好地了解在低流量下汽轮机运行的旋转不稳定性,采用低压末级整圈动静叶流道耦合排汽缸进行非稳态数值计算。发现末级动叶已经处于压气机状态并且流动的周向均匀性被破坏,以及在叶顶间隙泄漏流与主流的挤压下形成的泄漏涡撞击到毗邻叶片吸力面并发生溢出、形成二次泄漏流等情况。泄漏涡进一步影响叶片间叶顶前缘的压差分布,以长波的性质形成旋转不稳定。频谱分析捕捉到了旋转不稳定在绝对与相对坐标系下的旋转频率以及周向扰动个数。     

小容积流量下汽轮机末级流场涡流特性研究

随着火电机组灵活性深入,汽轮机组深度调峰成为研究重点。汽轮机组深度调峰将使末级叶片长时间工作在小容积流量工况下,对末级叶片的运行安全有重要的影响。应用计算流体动力学软件CFX计算末级流场,应用速度三角形理论算法进行验证,分析了小容积流量工况下汽轮机末级流场的涡流特性。结果表明:20%设计工况下(0.20DCF),末级达到鼓风工况。鼓风工况下,末级通道存在由分离涡、回流涡、动静间隙涡组成的涡系。分离涡位于动叶压力面,回流涡位于动叶吸力面尾缘根部,动静间隙涡位于动叶和静叶顶部间隙处。随流量减小,涡流区域均增大。小容积流量工况下动叶出口和静叶出口先后产生逆压区,逆压区是回流涡和动静间隙涡形成的根本原因。负冲角是分离涡形成的根本原因,而在叶片顶部,由于大的扭转角,流动分离减弱。     

低压缸切缸工况下流动与鼓风特性数值研究

为了研究低压缸切缸工况时机组的运行能力,以国内某电厂汽轮机低压缸为研究对象,建立低压缸单边八级叶栅单通道流场三维计算模型,分析不同入口流量下其内部流动结构和气动性能以及末级动叶的鼓风加热特性。结果表明：随着低压缸入口流量的持续减小,排汽出口和末级叶栅内会陆续出现排汽回流和汽流分离现象,并伴随有动叶入口的负攻角现象;当低压缸入口流量减小至1.19%额定流量时,工质做功无法弥补低压缸转子旋转耗功,低压缸整机无法输出功率;当低压缸入口流量降低至7.44%额定流量时,末级通道动静交界面靠近叶顶区域和末级动叶通道靠近叶顶区域出现局部高温区,出现切缸工况末级动叶的鼓风加热效应;同时,切缸工况下末级静叶鼓风加热温度抬高程度显著大于末级动叶,相较于额定工况末级静叶和末级动叶表面最高温度分别抬高了约10596%和71.91%。     

汽轮机高压缸小容积流量工况数值模拟

建立了某汽轮机高压缸的两级叶栅通道的数值模型,并且通过减小背压降低流量以达到模拟高压缸小流量工况的目的。对不同流量工况进行流场分析可以得到,小流量工况下高压缸的动叶顶部间隙处由于速度分布和间隙流的影响最易形成涡流,其随流量的减小,逐渐向流道底部发展。并且容积流量的减少会导致负攻角的产生,导致级内的分离流动。在小流量下分离流动存在于整个叶高通道,阻塞主流。通过分析级的焓降变化可以得出,当级的流量为设计流量的50%时即将进入鼓风工况前的过渡工况,这与一些文献中所推导的结论一致。同时鼓风工况会使得级内的温度场发生较大的变化,在20%设计流量下,排汽温度比设计工况提高了30K,危害汽轮机的安全运行。     

间隙变化对轴流压气机转子近失速工况叶顶流场的影响研究

为研究间隙变化对轴流压气机转子近失速工况下叶顶流场结构的影响,以轴流压气机转子Rotor37为研究对象,对其叶顶流场进行定常和非定常的数值模拟。计算结果表明：随着叶顶间隙的减小,压气机的总压比和等熵效率均有所提高,稳定运行范围扩大;2倍设计间隙下,叶尖泄漏涡经激波作用后发生膨胀破碎,堵塞来流通道,诱发压气机堵塞失速;0.5倍设计间隙下,吸力面流动分离加剧,发生回流,部分回流与来流在压力面前缘上游发生干涉,进口堵塞加剧,致使部分来流从前缘溢出,导致压气机叶尖失速;不同间隙下压气机失速过程的主导因素不同,大间隙下失速由叶尖泄漏涡破碎的非定常波动引起,小间隙下失速主要由流动分离引发的周期性前缘溢流所主导。     

叶顶间隙对于汽轮机排汽缸气动性能的影响

介绍了汽轮机末级动叶叶顶间隙对于汽轮机排汽缸性能的影响,通过耦合末级叶片的排汽缸气动数模拟来考察这一影响,发现排汽缸内的流场情况会随着间隙漏汽量的不同而产生变化,表征气动性能的压力恢复系数也随之变化.研究表明,叶顶间隙射流对于排汽缸内流场的影响是不可忽略的,在以后的排汽缸气动设计及优化工作中需要考虑叶顶漏汽射流.     

汽轮机叶顶间隙内非定常流动的数值分析

为了分析叶顶间隙泄漏涡的影响范围、运行轨迹和强度的变化规律,以某汽轮机高压级为研究对象,采用SSTκ-ω湍流模型,应用PISO算法对叶项间隙内的非定常流动进行了数值模拟．结果表明：叶顶间隙泄漏流是有规律的周期性的非定常流动,泄漏涡的影响范围、运行轨迹和强度随时间和叶顶间隙的变化而变化;泄漏流对主流的影响呈现出从弱到强、再从强到弱的周期性变化规律;叶顶间隙泄漏涡在丁／4时刻的强度和影响范围均达到最大,在T／2时刻,静叶脱落涡和动叶吸力面前部的泄漏涡混合形成新的涡系,而动叶吸力面后部的泄漏涡却与其边界层的脱涡混合,离开吸力面．     

极低负荷工况下单缸核湿汽轮机末三级流动特性分析

基于Bladegen-Turbogrid实体叶片参数化建模方法与叶栅流道结构化网格划分方法,采用两相均质数值模型与湿蒸汽平衡相变模型,对不同容积流量工况下船用核动力湿汽轮机末三级进行了全三维定常数值计算,重点分析了极低负荷工况下湿汽轮机末三级的流动特性。结果表明:随着容积流量的降低,湿汽轮机末三级级内蒸汽流动紊乱度增加,湍动能分布波动程度加大,级内损失逐渐增加,湿度逐渐升高;极低负荷工况下湿汽轮机级内蒸汽流动最为复杂,末三级被涡流占据整个通流域通道,末级甚至次末级焓降为负值,做负功,这表明此时末两级不做功反而耗功,形成扩压段。     

颗粒对混流式水轮机内流场及外特性的影响

为了研究颗粒对混流式水轮机内部流场和外特性的影响,采用单相和固液两相流模型对某电站的高水头混流式水轮机进行全流道非定常数值模拟,分析水轮机运行在典型工况(小流量工况、额定工况、大流量工况)时的外特性和压力脉动特性。结果表明:颗粒的存在会不同程度降低水轮机效率,平均降低1%左右。在监测点P_1(转轮与活动导叶的交界面)处,颗粒的存在不同程度增加了此处的压力脉动,小流量工况下增加幅度最大;监测点P_5(尾水管)处,小流量工况下颗粒的存在增加了此处的低频压力脉动,大流量下颗粒的存在略微削弱了此处的压力脉动幅值。     

导流凸台对船舶汽轮机阀门非定常气动特性影响的DDES数值研究

针对某船用2.5 MW汽轮机组调节阀门在小开度运行下的非定常气动特性,采用延迟分离涡模拟（DDES）开展了全三维数值模拟。重点评估了阀座表面安装导流凸台对该阀门的阀碟气动力波动和扩压管内非定常蒸汽流场的影响。研究表明：在阀门喉部上游阀座处安装导流凸台后,阀门内部的主要流态从壁面分离流动转变为壁面附着流动,有效降低了阀门内的压力脉动幅值;安装导流凸台可以显著降低阀碟在轴向及侧向上的气动力波动幅值,轴向气动力波动幅值降低约51%,侧向气动力波动降低约34%。     

周期性热负荷作用下垂直自然循环流动特性的试验研究

针对炼钢转炉余热锅炉在周期性热负荷 (即冲击热负荷 )条件下运行时 ,水冷壁容易发生爆管事故而设计了一套简单、可靠的试验系统 ,对其在冲击热负荷下垂直自然循环瞬态两相流动特性进行了试验研究 ,在深入分析压力和冲击热负荷对不稳定流动影响的基础上 ,得到流动特性的变化规律及影响转炉余热锅炉寿命的因素     

The Thermoflow Characteristics of an Oscillatory Flow in Offset-Strip Fins

In this work, a numerical study was performed to investigate the characteristics of pressure drop and heat transfer in an oscillatory flow through offset-strip fins. In the laminar regime, the flow does not oscillate, and the Colburn j and friction f factors from a steady simulation are very close to those of an unsteady simulation. The flow begins to oscillate in the transition and turbulence regimes. In these regimes, the error between the f and j values obtained from the unsteady and steady simulations becomes significant. Since an unsteady simulation is too computationally expensive, a steady simulation with a turbulence model was tested. It was found that a steady simulation with the SST(shear stress transport) k-ω turbulence model can accurately predict the Colburn j and friction f factors of an unsteady simulation.     

600MW汽轮机主汽调节阀流动特性的数值研究

对某600MW亚临界汽轮机主调阀在全开度下的流动特性进行了数值模拟。给出了阀门内流动总压损、压损沿流程分布情况以及调节阀门的流量分配。分析了蒸汽在阀门中的流动特点及流动损失产生的机理。为进一步研究阀门的流场特性及结构改进提供了参考。     

湿蒸汽两相流动的非定常数值模拟

应用两相均质混合模型、湿蒸汽平衡相变模型以及双时间步长法,对某超临界汽轮机末级叶栅流场进行了全三维非定常的数值计算.计算结果表明:湿蒸汽流动与流场内的非定常特性密切相关,其定常计算结果与非定常的时均结果不相一致.由于动静叶干涉的影响,动叶栅出口由非定常计算得到的湿度值小于定常计算得到的结果.     

轴流泵内部流动诱导噪声数值研究

为改善轴流泵运行的稳定性,采用CFD方法和Lighthill声比拟理论,利用CFX对模型泵在0.55Q_(BEP)、0.6Q_(BEP)、0.9Q_(BEP)、Q_(BEP)、1.1Q_(BEP)流量下的轴流泵内部流场进行非定常模拟,并基于CFX数值模拟所得到的流动信息,根据FW-H方程提取叶片表面偶极子声源,并在LMS Virtual.Lab中采用内外声学直接边界元模型计算不同工况下的模型泵内叶频及其谐频处的内声场。研究结果表明,泵内边界上最大声压值随着流量的减小逐渐增大;叶片偶极子噪声在叶频96Hz处的深度失速工况泵内边界声压比最优工况下增大了28.9%;壳体偶极子噪声在轴频24Hz处的深度失速工况泵内边界声比最优工况下增大了6.5%,在叶频96 Hz时的深度失速工况泵内边界声压高于最优工况7%。     

叶片进口边位置对小流量工况下离心泵空化特性的影响

为研究叶片进口位置对小流量工况下离心泵空化性能的影响,应用数值计算方法模拟了比转数为81的离心泵的三种模型,得到不同进口边位置的离心泵空化特性,并分析了叶轮内部流场与空化性能曲线的影响关系。结果表明,在小流量工况下,低比转速离心泵叶片进口边位置越靠前,抗空化性能较好,但严重空化后扬程衰减更快,流道直接被空泡堵塞,流道和叶片表面气泡分布较均匀,且气泡充斥流道速度较快,气泡体积分数各流道差值越小。相比较而言,叶片进口位置越靠后,气泡在流道内部和叶片背面分布不均匀,易出现噪声和振动,但在断裂空化状态,气泡并未完全堵塞流道,扬程下降速度较慢。整体来看,在小流量工况下,叶片进口边位置越靠前,离心泵的抗空化性能较好,并通过试验研究验证了模拟结果的可靠性。研究成果可为小流量工况下低比转速离心泵抗空化性能的优化提供参考。     

A study of the unsteady tip flow field of a transonic compressor

An experimental investigation on the unsteady tip flow field of a transonic compressor rotor has been performed.The casing-mounted high frequency response pressure transducers were arranged along both the blade chord and the blade pitch.The chord-wise ones were used to indicate both the ensemble averaged and time varying flow structure of the tip region of the rotor at different operating points under 95% design speed and 60% design speed.The pitch-wise circumferential transducers were mainly used to analyze the unsteadiness frequency of the tip leakage flow in the rotor frame at the near stall condition.The contours of casing wall pressure show that there were two clear low pressure regions in blade passages,one along the chord direction,caused by the leakage flow and the other along the tangential direction,maybe caused by the forward swept leading edge.Both low pressure regions were originated from the leading edge and formed a scissor-like flow pattern.At 95% design speed condition,the shock wave interacted with the low pressure region and made the flow field unsteady.With the mass flow reduced,the two low pressure regions gradually contracted to the leading edge and then a spike disturbance emerged.