自由活塞发动机电动压气机优化及熵产分析

为了使设计工况下匹配的增压器性能更优从而提高系统能量利用率,针对自由活塞发动机匹配的电动压气机,采用遗传算法对原压气机进行了优化,研究了优化前、后压气机内部流场特性,以熵产分析的方法量化了3种不可逆因素导致的流动损失,并将优化前、后压气机熵产和涡度分布对比分析,进一步明确了压气机的优化策略．结果表明：叶轮和扩压器中湍流耗散、传热耗散和黏性耗散的比例近乎为6∶3∶1．不可逆损失主要集中在叶顶间隙和叶片压力面,损失来源为间隙泄漏流与部分主流掺混形成的反向涡团．压壳中湍流耗散占比超过85%,具体表现为局部损失和沿程损失．优化后压气机等熵效率提高了6%,流道内涡团的范围、幅值大幅减小,不可逆流动损失降低．上述工作揭示了压气机流场中不同耗散机制的不可逆因素对能量损失的影响机理,为压气机气动优化设计提供指导．     

涡模型对风力机气动特性的影响研究

比较了4种涡模型的诱导速度分布特征,包括两种层流涡模型和两种湍流涡模型。分别将4种涡模型应用至自由涡尾迹方法的尾涡诱导速度计算中,分析涡模型对风力机低速轴扭矩和尾流的影响。研究表明,在大风速下,湍流涡模型更能真实地反映流动状态;各个模型均能较好地捕捉流场结构和叶尖涡,层流涡模型的尾流涡量更集中,但耗散更快,湍流涡模型的涡量分布均匀,且耗散慢;涡模型对风力机近尾迹区域的尾流风速影响,比对远尾迹区域尾流风速的影响大。     

透平叶栅端部二次流流动损失机制研究

为了探究叶栅端部二次流动结构及损失产生机制,对低速透平叶栅气动特性进行实验测量,结合数值模拟计算对透平端部二次流动结构及损失来源进行分析,通过分析通道内部熵产率分布,研究流动结构与不可逆损失之间的关系。结果表明,在所研究工况条件下,叶栅端部的二次流动结构主要源自来流边界层在前缘及通道内的三维分离现象,分离形成以马蹄涡、壁面涡以及通道涡为主导的涡系结构。端部二次流动损失主要来源于马蹄涡两分支、壁面涡和通道涡等漩涡自身的耗散,以及马蹄涡压力面分支与壁面涡合并成为通道涡时剧烈掺混引起的耗散。研究成果可为抑制端部二次流动及损失提供参考。     

岛屿地貌单元的湍流能耗物理模型试验

岛屿地貌单元是珠江三角洲发育演变过程中的沉积核心,研究其消能机制,对理解河口动力过程及三角洲发育演变有重要意义。通过建立岛屿地貌单元的湍流能耗特性概化物理模型,基于16 MHz ADV采集高频流速数据,统计了时均及湍流特征量,并利用惯性耗散法分析了岛屿地貌单元的湍流动能耗率。结果表明,相同控制条件下岛屿地貌单元的形态阻力致使尾流中紊动强度量值为明渠的2~3倍,湍流剪切应力及湍流动能较明渠水流的大近1个数量级,湍流动能耗散率比明渠水流湍流动能耗散率大1~2个数量级。岛屿地貌单元的局部形态阻力导致尾流时均流速的空间梯度、切应力增大是湍流能耗率增大的原因。岛屿地貌单元的汇流作用增加了下游尾流区的水流掺混,并在尾流区域形成大量微尺度涡,导致区域湍流能耗作用增强,有利于岛屿沉积核心发育。研究成果有助于理解河口动力及三角洲的发育演变过程。     

基于混合RANS/LES的跨音速叶栅流动机理与损失分析

随着透平负荷的不断提高,跨音速叶栅通道中的激波/边界层干涉、非定常尾迹等复杂流动现象成为损失的主要来源。目前常用的RANS方法难以准确预测这些非定常多尺度湍流流动,亟待基于高精度湍流模拟方法研究其精细流动结构及损失机理。基于自主开发的混合RANS/LES方法对某跨音速叶型进行了研究,并利用本征正交分解方法(Proper Orthogonal Decomposition,POD)获得了关键流场结构特征,最后利用基于热力学第二定律的熵生成率分析方法进行了损失机理研究。结果表明:基于混合RANS/LES方法在跨音速叶栅通道内的求解具有可靠性和精确性,尤其对尾迹流场细节的捕捉,该方法更具有优势;在跨音速叶栅流场中,尾迹区的非定常涡脱落和激波间断是流场中非定常效应的主要来源;黏性耗散引起的熵生成率在时均和瞬时熵生成率中占主要作用,是流场损失的主要的来源。     

某重型燃气轮机环形燃烧室的数值模拟

完成了环形燃烧室从扩压器、旋流器到火焰简完整真实几何结构的建模,并进行三维数值模拟.数值计算采用有限速率/涡团耗散湍流燃烧模型、Realizable k-ε湍流模型、SIMPLE压力速度耦合算法以及二阶精度迎风差值格式.分析了不同负荷对流星分配、出口温度、燃烧效率、压力损失以及污染物排放的影响.在对比现场实测结果后发现...     

方形旋风分离器内气固两相流湍流特性的研究

应用三维颗粒动态分析仪（3D－PDA）对方形下排气旋风分离器内气固两相流场进行了实验研究，并对流场、脉动速度、颗粒浓度、湍动能、湍流强度等的分布做了讨论。方形旋风分离器的流动具有Rankine涡 的特点，即中心部分为强制涡区，边壁附近是准自由涡区。边角处因颗粒与壁面间的相互碰撞引起的准层流运动，并使得颗粒湍流脉动强烈，湍流动能和局部湍流强度在边角附近取得较大值，表明此时两相流耗了气流的能量较多，是造成分离器压力损失的主要区域之一。边角有利于颗粒分离。研究结果为结构优化提供了基础数据，并为今后的数值模拟研究提供了实验对比。     

锯齿襟翼尾缘叶片对轴流风机气动噪声的影响

以某双级动叶可调轴流风机为对象,对其动叶片开展齿形襟翼尾缘结构改型。采用雷诺时均方程和k-ε湍流模型及大涡模拟对改型前后的风机性能进行了数值计算,分析了齿形襟翼不同齿长对风机性能、气动噪声及内流特征的影响及内在机理。结果表明：齿形襟翼可大幅提升风机性能,且全压增幅与齿长成反比;采用齿形襟翼后,风机效率峰值向大流量侧偏移,运行高效区增宽;〖JP2〗齿形襟翼可显著降低风机高频噪声,平均降噪量达13 dB;齿形襟翼改善了动叶尾涡结构,降低了叶中及叶根尾缘处能量耗散,影响了尾流逆压梯度区分布,减小了反向对涡核心区的二次回流强度,降低了风机气动噪声;齿长为0.8%弦长的齿形襟翼在改善效率、全压和降噪方面综合性能最优。     

某型增压器混流涡轮流场数值模拟

采用TurboGrid对某混流涡轮流道进行网格划分,基于有限元的有线体积法对空间进行离散,采用全隐式耦合求解方法,对三维可压缩流雷诺平均N-S方程和标准k-ε湍流方程进行求解,得出设计工况流场流动特性,结合S3流面的二次流线图,分析了通道涡、角涡、顶隙泄漏涡以及尾缘涡随着流动的发展及耗散过程,描述了轮毂和动叶表面流的流动特性和表面流来源,描述了顶隙泄漏流及尾缘径向窜流的产生过程和流动特性,给出了熵值在转子出口处的分布特点,损失产生的主要因素,结合S1流面的参数分布特点,对子午流道设计的合理性进行评价.     

湍流强度对风力机尾迹涡结构影响的实验研究

为研究湍流强度对风力机尾迹涡结构的影响规律,利用TR-PIV(time resolved-particle image velocimetry)对水平轴风力机模型在有、无格栅4.5D(D为风轮直径)范围内的尾流信息进行采集。通过定性及定量分析对比有、无格栅时尾迹流场瞬时涡量、平均涡量及湍动能的变化规律,再现了不同入流条件下尾迹涡形成、发展和湮灭的过程及尾迹涡系间能量传递特性。分析发现:自由流4.5D范围内均可见明显叶尖涡拟序结构,其衰减速度较慢。格栅入流时随湍流强度增加流层间的强剪切及径向掺混作用增强,使叶尖涡拟序结构失稳,2.5D时拟序结构消失;涡量集中区域较自由流明显扩张,叶尖涡诱导效应影响范围增加;尾迹涡系的湍动能较自由流明显增加,随着尾迹向下游发展叶尖涡、中心涡湍动能很快衰减,附着涡区湍动能却明显增强;附着涡区不再是隔离带,而是叶尖涡和中心涡的能量输送带,从而促进尾迹恢复。     

垂直轴风力机三维尾流模型的研究

基于流量守恒，提出一种H型VAWT的三维解析尾流模型，该模型考虑了风切变效应，并采用多元高斯分布。首先，通过风洞试验及大涡模拟数据进行模型验证，结果表明在x/D> 3的远尾流区，横向剖面的相对误差小于2%，垂向剖面的相对误差小于3%。然后，从下游4个位置(x/D=3、6、9、12)、3种推力系数(C_T=0.6、0.7、0.8)、4种风切变指数(α=0、0.1、0.15、0.2)、两种湍流强度(I₀=5%、8.3%)下演示了一系列预测结果，结果显示该文模型能有效地描述尾流风速的空间分布。由于考虑了高度影响，该模型可用于风力机轮毂高度的优化及风电场的布局优化，有利于提高风电场的功率输出。     

无叶片风力机捕能柱涡激摆动特性及捕能效率

针对无叶片风力机捕能柱的涡激摆动特性,构建捕能柱系统简化的质量-阻尼-弹簧振动模型,推导其固有频率与捕能效率的计算式,并结合k-ωSST湍流模型和动网格方法,建立捕能柱涡激摆动的仿真模型并进行验证,探究捕能柱质量比、系统阻尼比和固有频率对其涡激摆动特性与捕能效率的影响.结果表明:捕能柱涡激摆动最大摆幅与捕能效率均发生在...     

基于LES的压气机叶栅通道非定常流动结构研究

为了进一步理解压气机叶栅通道内的非定常流动结构,采用大涡模拟(LES)方法研究了来流附面层厚度和稠度变化对叶栅通道内涡系结构及总压损失系数的影响。研究表明：来流附面层增厚将导致端壁处流体的轴向动能降低,使得马蹄涡压力面分支更早地流向相邻叶片吸力面;来流附面层越厚,通道涡在叶栅尾缘沿展向抬升的高度越高,角区分离的范围也越大;叶栅的总压损失随附面层增厚而增加,附面层损失增加显著,二次流损失有所增大;稠度较低时叶栅吸力面表面存在分离,会对通道涡及角区分离产生影响;稠度增大,横向压力梯度减小,叶栅流道的速度分布更均匀,通道涡的强度和尺度减小,角区分离的范围减小;稠度增大使叶表不再分离时,总压损失显著降低,但稠度继续增大会使气流与叶片表面的摩擦损失增加。     

压缩对内燃机缸内湍能的影响

用能量法和结构法考察了在不同的初始条件下,压缩过程中缸内湍能的变化情况,并把湍能的产生和耗散作了比较。文中采用了ｋε模型和雷诺应力模型中的 Ｌ Ｒ Ｒ模型进行计算。结果表明：对于内燃机缸内湍流,压力膨胀项的作用完全可以忽略,也就是说,压缩对湍能的影响主要不是通过脉动膨胀来直接作用,而是通过改变湍流结构来影响湍能的,即通过改变雷诺应力的各向异性来改变湍能产生项,通过改变湍流时间尺度来改变耗散项。     

三喷嘴蒸汽喷射器振动分析

为分析三支管混合喷射器产生振动的位置及其影响范围,采用数值模拟方法,建立了工业尺度喷射器三维计算模型,并用大涡模拟方法研究其内部流体的速度和压力分布。同时,探究振动处湍流的影响范围,在喷射器中、后段取三个点进行监测,并绘制三点处的速度和压力变化曲线。结果表明:喷射器在混合段产生强烈的湍流,压力变化幅度约为0.025 MPa,引起喷射器振动;混合段的湍流随着继续流动逐渐变弱,三个监测点处速度波动范围依次为15～80、20～60、75～100 m/s,增加喷射器尾部等截面圆柱管的长度可以减弱出口处湍流的影响。     

入射角对超声速平板气膜冷却的影响

超声速平板气膜冷却伴随着复杂的涡系结构和激波干扰等流动特征，它们对气膜冷却效率产生重要影响。运用数值模拟的方法对不同入射角下的超声速平板气膜冷却进行分析，结果表明：随着入射角和吹风比增加，冷却孔内涡强度减弱，因气膜冷却层产生的斜激波位置前移，强度增加，总压损失增加。随着入射角增大，主流与冷气剪切所产生的涡量成为肾型涡发展的主导因素，并且冷气沿流向耗散速度随着肾型涡强度的增加而加快。不同入射角展现出不同的气膜冷却现象及效率，气膜冷却层可有效抑制激波对壁面气流的加热。     

大尺度展向波形圆柱绕流流场结构的数值研究

针对大尺度展向波形圆柱绕流的减阻特性,通过大涡模拟（LES）研究波形振幅对圆柱体绕流流场结构的影响,获得波形圆柱体绕流气动性能曲线、尾迹时均流速分布和非定常涡量场分布,最后与直圆柱绕流的流场结构进行对比分析。结果表明,波形圆柱绕流的平均阻力系数小于直圆柱体绕流,流向涡的形成改变了圆柱近尾迹区的流场结构,因此,波形圆柱体尾迹涡系表现得更为紧凑,尾迹涡流得到拉伸与破裂。在亚临界雷诺数为3000时,最大阻力系数减少18.3%,最优振幅比为0.152;且波形圆柱体的升力波动大大减少,甚至得到抑制。由于波形表面会形成更稳定的三维自由剪切层,这样的自由剪切层在下游位置卷起漩涡,大大地改变了圆柱周围的流场结构。研究表明振幅比在确定波形圆柱后面的三维涡旋结构中起着至关重要的作用,并对升力波动和流动阻力的降低有着显著的影响。     

脉冲激励对超声速横向射流混合强化模拟研究

对脉冲激励的超声速横向氢气射流混合过程进行三维非稳态雷诺平均(URANS)模拟,湍流模型为k-w SST模型。与无激励措施的混合结果相比,燃料射流喷口下游增加脉冲激励会强化流场中大尺度结构如反向涡对(CVP)与涡对(TCVP),进而增强射流与主流的混合过程。射流穿透深度、混合效率以及总压损失的计算结果表明:当脉冲频率为50 k Hz时,能够更好地提高射流的混合效率;增大脉冲幅值可以明显地增强氢气与空气混合进程,同时总压损失未受脉冲扰动的影响而增加。     

有压管道内管道车稳定运行时下游水力特性研究

管道列车水力输送作为一种高效、环保、节能的物料运输方式，具有较广阔的应用前景。当管道车在管内静止时可将其视为绕交汇式圆柱系结构，而水流绕过该结构后会产生漩涡，从而造成部分能量损失。运用数值模拟、模型试验和理论分析法研究管道车绕流流场下游的水力特性与流场稳定后的空间涡结构。结果表明，不同直径的管道车下游流场的近场区域可分为回流区与射流区，随着向管道车下游距离增加，断面平均流速呈先略微下降再升高的趋势，在1倍管道车特征长度的距离时恢复接近管道来流的平均速度；随着下游远场区域距离的增加，断面平均流速的波动幅值逐渐减小，流场逐渐趋于稳定；流场内空间涡环结构高度破碎；且涡结构在靠近环形缝隙一侧较多，靠近管轴线一侧较少。     

叶片尾缘冷气喷射气动与传热性能分析

基于尺度自适应(Scale Adaptive Simulation,SAS)湍流模型,对叶片尾缘偏开缝射流尾迹结构、尾迹掺混损失和壁面冷却有效度在不同射流/主流速度比(VR)条件下的变化规律进行数值模拟研究。结果表明:VR为1.0时冷气对尾缘壁面的冷却效果总体较好;上、下板尾缘脱落涡的主导结构均为卡门涡,随着VR的增大,其脱落频率与旋涡强度增大,导致涡量和剪切应力升高,而尾迹掺混损失由湍流脉动能量和板后回流区长度共同决定;VR为0.5和1.0时尾迹掺混损失相差不大,VR为1.5时相比0.5时增大了4.53%。