考虑进口温度畸变的涡轮级非定常流动数值仿真

为更好地预测涡轮级非定常流动特征,以准确分析进口温度畸变对下游叶排产生的影响。本文基于有限差分法开发了多级涡轮非定常流动数值求解器,通过试验数据验证其准确性和可行性,利用该求解器针对进口温度畸变进行了单级涡轮非定常流动数值仿真。以某单级高压涡轮作为研究对象,改变进口总温分布条件,设计了在进口总温均匀分布、总温沿径向不均匀分布和涡轮进口存在热斑3种方案下,进口温度畸变对马赫数、叶片热负荷等因素产生的影响,以及高温气流迁移路径的变化规律。结果显示,进口温度畸变对单级涡轮内部流场的影响不大,进口温度径向不均匀分布会导致导叶径向中上部分出现带状高温区域,在60%叶高处的导叶前缘温度最高。这种现象会因热斑的存在而加剧,在同一周期内进口温度畸变不会造成导叶表面最高温值的大幅度变化。主流气体在涡轮流道作加速运动,热斑由椭圆形逐渐变窄,温度降低,在导叶尾缘与脱落涡相互作用,气体受挤压边缘呈现锯齿状。动静交接面后,在动叶前缘和动叶压力面热负荷较为显著,并且在同一周期内进口温度畸变会使动叶表面的最高温值在一定范围内变化,在涡轮流道内进口温度畸变不会使高温气流在径向方向上的发生较大的偏移。     

舰船燃气轮机变几何动力涡轮三维粘性流场的数值分析

基于耦合求解可压缩Favre平均Navier-Stokes方程及Menter的Shear Stress Transport Model(SST)双方程湍流模型,对一个考虑采用可调导叶设计的舰船燃气轮机变几何动力涡轮的全流场进行了三维粘性数值模拟,研究了可调导叶转动导致变几何动力涡轮气动性能变化的流场机理,重点分析了低工况下可调导叶级动叶栅流道内三维分离涡流场的结构特征,指出与定几何动力涡轮相比,由于可调导叶的关小不仅造成可调导叶级动叶处于大攻角三维分离涡流场运行,而且使整个变几何动力涡轮的效率显著下降了1%~5%。     

高压燃油离心泵压力脉动及非定常流动分析

为了掌握全工作包线内高压燃油离心泵的非定常流动特性,对高压航空燃油离心泵进行了数值模拟并分析其内部的压力脉动及非定常流动变化。将仿真预测结果与泵的性能试验结果进行对比,验证了所采用的仿真方法的有效性;对泵内关键位置的压力进行监测,并利用快速傅里叶变化完成压力脉动的时频特性分析;重点以相对速度、湍动能等为指标,分析泵内非定常流动结构的变化。结果表明：设计流量工况下叶轮流道内压力脉动主频为转频f_n,蜗壳流道内压力脉动主频为叶频f_b,不同的监测点均呈现出相似的脉动变化规律。设计流量工况下泵内整体流动相对平稳,但小流量工况下叶轮流道内出现了一定的漩涡流动,主要存在于靠近隔舌区域的叶轮流道出口位置。此外,叶轮出口及隔舌区域的湍动能分布范围较大且变化强烈,此处存在一定的水力损失。     

某型汽轮机调节级气动特性数值研究

对采用寇蒂斯级设计思想、具有局部进气的汽轮机复速级进行了三维整级数值模拟,分析了设计工况下该复速级的流动特点.计算结果表明,气流流出复速级喷嘴后,每个喷嘴组边界流体的散射作用不强烈,在边界上基本只影响了附近的一个叶栅流道,流动的主体方向沿着轴向进行;当级的压比较大,流动达到超音速时,每个喷嘴组出口流动沿周向的不均匀性非常严重,交替出现尾迹低速区和主流低压区,使喷嘴区域内处于不同位置的动叶片受力状态发生较大变化;超音速喷嘴出现的过膨胀低压区,压力在整个级内是最低的,会加剧动叶流道的非定常流动效应.     

增压器涡轮蜗壳及有叶喷嘴内气体流动的数值计算

对SJ135增压器的涡轮蜗壳及喷嘴用Pro/E进行了流场计算区域的建模,用FIRE软件对蜗壳及喷嘴划分网格,根据计算流体力学(CFD)基本方程和K-ε双方程模型,采用有限体积法对其进行了三维可压缩粘性流场数值计算,得到了内部流动的模拟结果,通过对计算结果的分析,直观地掌握了蜗壳及喷嘴内部的流动情况,找出了蜗壳及喷嘴产生局部流动损失的部位和影响因素,为进一步改进蜗壳通道和喷嘴型线,减少流动损失提高能量转换效率提供了依据.在对双腔半周进气的涡轮蜗壳及喷嘴的流场数值计算中,喷嘴出口采用等压边界条件会对计算结果带来一定的误差.     

低雷诺数涡轮叶栅损失的实验与数值模拟研究

发动机涡轮部件在高空低速飞行条件下工作雷诺数降低，其损失显著增大、效率显著降低。本研究的目的是应用实验分析与数值模拟相结合的方法，深入认识高空低雷诺数条件下涡轮流动损失的特征和规律，数值计算是基于Jameson中心差分格式和Runge-Kutta时间推进的方法求解N-S方程完成，实验是在西北工业大学低速涡轮平面叶栅实验风洞进行。研究表明，随着雷诺数降低，涡轮叶栅流动损失增大，当雷诺数小于40000之后，涡轮叶栅流动损失呈明显增大的趋势。数值计算结果表明在低雷诺数条件下，涡轮叶栅吸力面后部流动产生了分离，这是流动损失增大的主要原因。数值预测的结果与实验测量结果的趋势吻合得相当好。     

增压器涡轮蜗壳及有叶喷嘴内气体流动的数值计算

对SJ135增压器的涡轮蜗壳及喷嘴用Pro／E进行了流场计算区域的建模，用FIRE软件对蜗壳及喷嘴划分网格，根据计算流体力学（CFD）基本方程和K-ε双方程模型，采用有限体积法对其进行了三维可压缩粘性流场数值计算，得到了内部流动的模拟结果，通过对计算结果的分析，直观地掌握了蜗壳及喷嘴内部的流动情况，找出了蜗壳及喷嘴产生局部流动损失的部位和影响因素，为进一步改进蜗壳通道和喷嘴型线，减少流动损失提高能量转换效率提供了依据．在对双腔半周进气的涡轮蜗壳及喷嘴的流场数值计算中，喷嘴出口采用等压边界条件会对计算结果带来一定的误差．     

尾缘形状对低压涡轮叶栅气动性能的影响

为减小高负荷低压涡轮叶型损失,提高低压涡轮叶栅气动性能,采用数值模拟方法研究尾缘形状对高负荷前加载低压涡轮叶栅L2F气动性能的影响.对比尾缘偏斜、增加尾缘厚度和Gurney襟翼对叶栅能量损失和流动的影响.结果表明:3种尾缘形状都能增加气流折转角,在低雷诺数时减小能量损失,在高雷诺数时增加损失,但总体上尾缘偏斜提高气动性能的效果更好.雷诺数为20 000、湍流度为3%时,尾缘偏斜能够减小16.5%叶栅能量损失,增加3.3%气流折转角.3种尾缘形状都使主流发生偏转,加速了吸力面边界层流动,抑制了流动分离,有利于减小损失;但尾缘改型增强了尾缘后流动掺混,会增加损失.     

微型轴流风扇叶顶间隙内泄漏流动的数值模拟

运用FLUENT软件对一种微型轴流风扇内部的非粘性三维流场进行数值模拟,获得了风机内部叶顶间隙内流动规律.对叶顶间隙泄漏涡流的形成和发展作出了比较详细的分析,得到随叶尖间隙的增大,泄漏流动形成泄漏涡,旋涡强度随叶顶间隙的增大(从0.5 mm增大到6 mm)迅速增大到最大值,之后叶顶间隙继续增大,泄漏涡范围增大,但强度不再继续增大.经分析还得到叶顶间隙涡产生于吸力面近叶顶区域,并朝相同流道叶片的吸力面向尾缘方向发展.其结论为进一步弄清叶顶泄漏涡流的流动机理以及为微小型轴流风扇的优化设计都提供了依据.     

超临界二氧化碳高压涡轮气动设计及性能

为建立高性能超临界二氧化碳(SCO2)布雷顿循环系统,基于西安热工研究院的5 MW等级SCO2火力发电试验平台的高压涡轮设计参数,采用基于Denton损失模型的自编一维涡轮设计程序、AXIAL软件及AXCENT软件设计了2级轴流超临界二氧化碳涡轮,采用CFX软件RANS方程与NIST的真实超临界二氧化碳工质物性数据相结合的数值方法,研究了超临界二氧化碳高压涡轮设计工况和变工况气动特性.结果表明:综合考虑高设计参数下的超临界二氧化碳涡轮辅助系统的可实现性,选择两级轴流直叶栅涡轮设计方案,经叶型优化后可实现两列涡轮静叶的总压损失约为0.042,第1/第2列动叶栅相对总压损失为0.050和0.064,叶片的根部、中部和顶部流场的马赫数分布合理.考虑动静叶泄漏掺混损失的高压涡轮的等熵效率可达到84.88%,轴功率3 251 k W,涡轮变工况性能良好.     

气液两相多级液力透平的全流道数值模拟

以DG85-80五级节段式离心泵做液力透平,基于CFD软件,采用N-S方程和标准κ-ε湍流模型,选择Mixture多相流模型,利用SIMPLE算法,对其在纯水介质和气液两相介质时进行全流道数值模拟,得到透平的外特性曲线和内流场规律。结果显示:气液两相透平在最优工况点的压头、功率比纯水透平的高,而水力效率和质量流量较纯水透平的低;在最优工况点,随着级数增加,气液两相透平各级导叶、叶轮进出口压差增大,其内部压力分布的不均匀性增加,叶片工作面进口附近的漩涡区域减小;与小流量时的透平相比,大流量时透平各级叶轮、导叶内部的气体体积分数较大,透平叶轮出口附近的高含气率区域较小,各流道中气体分布的不对称性加剧。       

液力透平进口截面对水力损失及速度矩的影响

为减小液力透平各过流部件的水力损失,提高液力透平的效率,在不同蜗壳进口截面下将一单级液力透平蜗壳的基圆作为一环线,计算沿该环线的切向速度值,根据基圆半径计算出相应的速度矩,并在环线上分别设置4个监测点,利用ANSYS软件计算监测点处的速度矩随流量的变化规律,最后研究蜗壳进口截面对各过流部件水力损失的影响。结果表明:所选液力透平的蜗壳最佳进口直径为65mm,改进后液力透平的效率比原设计下的效率提高了1.83%,且在该蜗壳进口下叶轮进口的速度矩波动幅值最小;随着蜗壳进口直径的增加叶轮进口的速度矩逐渐减小,蜗壳收缩管的收缩率逐渐增加,收缩管中的水力损失逐渐减小。       

基于流固耦合的风力发电机周围流场特性分析

为了提高风能利用效率,合理设计风电场,基于ANSYS Workbench有限元仿真平台以水平轴风力发电机为研究对象,在额定工况条件下对风力发电机周围流场特性进行了流固耦合分析,得到了风力发电机尾迹及叶片附近旋转域流场的风速、风压分布.结果表明:在风力发电机后不同距离的截面处,其湍动能沿竖直方向均呈现“M”型变化趋势;在水平方向上,部分流经叶片的空气产生了旋转,并具有向四周扩散的现象;在叶片旋转域中,沿叶片径向其风压与风速不断增大.     

Numerical investigation on bowed blades of large meridional expansion Turbine

To improve the performance of the Turbofan engine,several measures should be considered during design process.Such measures,relating to aerodynamic characteristic design,include the maximum enthalpy per stage,the shortest axial length,the minimum blade rows and the highest efficient in design and off design condition.To satisfy theses design characters,the meridian geometry of the engine will be excurvature at a high degree transition part between HP and LP turbines.The study is to investigate the effect of blade bowing on flow loss at blade tip and root of the type of turbine.Such turbine,tending towards separation,with severe secondary flow at the tip and strong radial flow at exit,was simulated by the 3D N-S solver Numerca,and there were several different stacking line bowing schemes in all.The results show that tip negative bowing and root positive bowing is able to weaken radial flow,consequently reduce the flow loss at the tip and root.     

涡轮搅拌桨混合过程三维非等温流场数值模拟

化工搅拌装置内的流体流动伴随着显著的传热过程, 由于搅拌流动的复杂性以及温度的分布难以测量, 采用试验法具有一定的局限性。利用计算流体力学(CFD)软件, 采用标准κ-ξ紊流模型, 分析了非稳态非等温情况下, 涡轮搅拌桨混合过程中搅拌槽中流体的三维紊流流场和温度场的分布。结果表明, 桨叶旋转时, 在叶轮区产生高速射流, 径向射流在流动过程中夹带着周围流体撞击到槽壁后, 径向排出并分成两部分, 在叶轮上下两侧附近形成了两个循环涡流。随着桨叶搅拌时间的增加, 搅拌槽内流体温度逐渐趋于均匀, 但在六叶轮斜上区出现6 个低温区。桨叶所产生的能量绝大部分都消耗在桨叶附近的排出流区。     

Numerical investigation on bowed blades of Iarge meridional expansion Turbine

To improve the performance of the Turbofan engine,several measures should be considered during design process.Such measures,relating to aerodynamic characteristic design,include the maximum enthalpy per stage,the shortest axial length,the minimum blade rows and the highest efficient in design and off design condition.To satisfy theses design characters,the meridian geometry of the engine will he excurvature at a high degree transition part between HP and LP turbines.The study is to investigate the effect of blade bowing on flow loss at blade tip and root of the type of turbine.Such turbine,tending towards separation,with severe secondary flow at the tip and strong radial flow at exit,was simulated by the 3D N-S solver Numerea,and there were several different stacking line bowing schemes in all.The results show that tip negative bowing and root positive bowing is able to weaken radial flow,consequently reduce the flow loss at the tip and root.     

液力透平进口截面对蜗壳内压力脉动的影响

为研究液力透平不同进口截面对蜗壳内压力脉动的影响,选取一单级液力透平为研究对象,利用流场分析软件CFD对该液力透平内流场进行三维非定常数值计算,在蜗壳内沿周向和径向设置监测点,计算各监测点在不同进口截面和最优工况下沿周向和径向的压力脉动,以及各监测点在不同流量和不同进口截面下沿径向的压力脉动,利用快速傅里叶变换对各监测点的压力脉动计算结果进行变换,分析各监测点处压力脉动的时域和频域分布。结果表明:蜗壳进口直径越大,隔舌处的压力脉动幅值越大;蜗壳进口直径越小,叶轮动静相干作用越强,蜗壳内压力脉动幅值越大;流量越大,不同蜗壳进口截面下蜗壳内压力脉动主频幅值之间相差越小;当离心泵用作液力透平时为了使液力透平能够较稳定运行,需适当减小液力透平进口截面面积。     

Study on leakage flow characteristics of radial inflow turbines at rotor tip clearance

Tip clearance leakage flow in a radial inflow turbine rotor for microturbines under the stage environment is investigated using a three-dimensional viscous flow simulation. The results indicate that the scraping flow caused by relative motion between casing and rotor tip, and the pressure difference between pressure side and suction side at rotor tip, play important roles in tip clearance leakage flow. The more the rotor tip speed increases and tip clearance height decreases, the more the scraping effect acts. Though the leakage velocity of tip clearance at midsection and exducer regions changes less when the rotor rotational speed is changing, the distance between passage vortex and rotor suction side varies in evidence. Main leakage flow rate of tip clearance takes place at region of exducer tip and some seal configurations will be quite effective for cutting leakage flow if these configurations are arranged over midsection and exducer of the radial inflow rotor.     

混流式水轮机空化流动特性分析

采用混合物空化模型对混流式水轮机的内部流场进行了数值计算,得到了大流量工况、最优流量工况、小流量工况水轮机的内部流动特性。计算结果表明：在大流量工况和小流量工况下,尾水管中心截面的低压区与涡带是相对应的,压力脉动的幅值主要受尾水管涡带直径两端压力差的影响,其尾水管进口段左右两侧以及弯肘段附近均有较大的漩涡区域,造成较大的能量耗散,尾水管内有明显的回流现象,水轮机内部流动比较紊乱。     

流体激振理论在风电机组叶片分析计算中的应用

通过理论计算分析风力发电机组叶片在进行结构设计时,自激振动对风力机叶片运行振动的影响.应用激振理论综合考量风力机叶片振动机理,找到了风力机叶片振动的根本原因,并提出了相应的判据.研究表明：风力机影响叶片振动稳定性的根本原因在于空气来流速度与叶片弦线夹角正弦值的正负情况影响.