高负荷氦气压气机矩形叶栅流动分离特性

针对高负荷氦气压气机叶栅流动分离问题,以某高负荷氦气矩形叶栅为研究对象,采用SST湍流模型加γ-Reθ转捩模型进行了数值模拟。分析了不同负荷、弯角及弯高的高负荷氦气压气机矩形叶栅的流动分离结构和特性。研究结果表明,马蹄涡压力面分支是矩形叶栅角区集中脱落涡和壁角涡形成的主要原因;随着攻角和负荷的增加,叶栅吸力面的分离形式由开式分离向闭式分离转化;而采用恰当的弯高和弯角可以有效抑制流动分离,改善高负荷氦气压气机端部流动状况,减小流动损失。     

汽轮机静叶栅二次流损失的数值研究

基于有限元有限体积法和全隐式多网格耦合算法,对某汽轮机高压级有一定扭曲度的静叶栅流场进行了三维稳态数值模拟,分析计算了叶栅通道内上下端壁二次流发展的特点及叶栅的气动特性。计算结果表明,叶栅端壁二次流损失与叶型型面及上下端壁面的汽流情况有密切关系。同时揭示了叶栅通道内的涡系演变特点,发现在流道尾部二次流强度发展迅速,在靠近背弧上下端部附近形成两个明显漩涡区,进而引起总压损失系数和出口汽流角沿叶高方向产生明显变化,这对存在一定扭曲度叶栅的气动特性研究及设计有一定的指导意义。     

某船用汽轮机高压级改型设计及静叶试验

为提高汽轮机高压级流动效率,对某船用高压汽轮机末三级进行了静叶及子午流道改型设计,通过改变叶栅的气动负荷分布以及子午流道形状来实现机组性能的改善.应用全三维粘性数值模拟分析了改型前后机组性能的变化以及流场的特点.对比数值模拟结果可以发现,改型设计不仅消除了静叶外端壁附面层的分离,同时使得各列静叶吸力面最低压力点后移,从而有效地降低了叶栅二次流损失.最后对改型前后的静叶进行了平面叶栅气动性能试验,试验结果表明改进后的叶型不仅缩短了吸力面出口逆压梯度段的长度,还有效地提高了叶栅攻角适应能力.     

叶片周向弯曲角度对扩压叶栅气动性能的影响

为了改善扩压叶栅气动性能,采用拟压缩性方法对不同周向弯曲角度的正弯曲叶片压气机叶栅内三维粘性流场进行了数值模拟.结果表明,随着弯曲角度的增加,端部流动状况逐渐得到改善,叶栅中部流动损失逐渐增加.正弯20°时可基本控制端部扩压因子至0.6以下.叶片弯曲角度的选择应以能满足设定目标的最小角度为最佳,过大的角度将会导致动静叶间匹配困难和较大的吸力面尾缘回流区     

端壁相对运动对超声速膨胀器间隙流动的影响

为了揭示端壁相对运动对超声速膨胀器间隙流动影响的规律,采用数值方法研究了机匣与隔板不同相对运动速度时超声速膨胀器间隙流动特性。结果表明:泄漏流与主流和附面层的掺混损失是超声速膨胀器间隙区域流动损失的主要来源,吸力面靠近分离线右侧区域的流动损失最大,压力面附近除尾缘外流动损失均较低;机匣与隔板相对静止降低了黏性剪切力的作用,但端壁的壁面效应对间隙流动却存在影响;端壁相对运动抑制了泄漏涡的横向发展,分离线向吸力面靠近,泄漏流量增加,泄漏流、主流和端壁附面层的掺混严重,附面层内低能流体的迁移、潜流和摩擦也加剧,三维流道内总的流动损失增加,超声速膨胀器效率降低。     

叶栅流场尾迹中非定常涡系的数值模拟

叶栅通道内包含复杂非定常流动特征的涡系结构，二维直叶栅的尾迹涡系中粘性、尺寸效应十分明显，进行数值模拟时计算量较大，因此时分离涡产生与脱落过程的准确、清晰的捕捉要求有更高效率的数值解法。应用隐式格式、全场统一时间步长和Baldwin—Lomax紊流模型求解二维Navier—Stokes方程，时二维直叶栅流场非定常涡系进行了数值模拟分析，在大攻角、不同进口马赫数的2种工况下，通过对比分析不同时刻叶栅流场的熵和压力瞬态图，捕捉到分离涡产生与脱落过程，并合理地反映了紊流流动特征。通过计算结果看出，所采用的非定常粘性流动数值模拟方法有效，计算效率较高，能够较好地捕捉复杂的尾迹非定常涡系，较为清晰地反映叶栅流场涡系的形成、发展和消失过程，为进一步研究孤立转子和多叶排环境下的非定常流动效应提供了初步的基础。     

非对称附面层抽吸对高负荷扩压叶栅旋涡结构的影响

为了改善高负荷扩压叶栅流道内旋涡结构,达到降低流动损失,提高气动性能的目的。本文借助实验校核CFD方法,对某高负荷扩压叶片进行了非对称孔式附面层抽吸。使用Q准则作为本次旋涡判定的准则,并对原型及抽吸方案的损失和涡量场进行了分析,并对其建立了旋涡结构模型。在原型方案中,由通道涡与集中脱落涡的掺混形成的角区损失占出口损失的主要部分,采用非对称抽吸后,抽吸侧内角区损失有明显的减弱,但非抽吸侧的损失沿展向和周向迅速扩展。     

变马赫数下压力面小翼对扩压叶栅气动特性的影响

为探究变来流马赫数下压力面叶尖小翼对扩压叶栅气动特性的影响,对Ma=0.5、Ma=0.6和Ma=0.7来流马赫数下的原型叶栅和加装不同宽度的压力面叶尖小翼的扩压叶栅流场特性进行了实验研究. 结果表明:在高亚声速的来流条件下,压力面叶尖小翼可以有效减小叶顶两侧压力梯度,阻碍流体流入叶顶间隙,控制叶顶泄漏流动,减小流场损失,改善流场流动状况. 随着小翼宽度的增加,改善程度增大,同时马赫数的变化与控制效果成正比. 当Ma=0.7时,与原型叶栅相比,PW2.0方案的流场改善程度最大,总压损失系数降低了6.53%.     

弯曲叶片降低能量损失的涡动力学机制

采用实验与数值模拟相结合的手段，从涡动力学的角度阐述了弯叶片降低能量损失的机理，研究了在不同攻角，不同出口马赫数，不同弯角条件下涡轮叶栅流场内主要旋涡的生成与发展，并通过与直叶栅的对比，研究了叶片弯曲对马蹄涡起始分离点位置及对通道涡位置强度的影响，从截面涡结构入手，分析了叶片弯曲这种边界条件的改变方式对通道涡稳定性的影响，通过分析在不同气动条件下通道涡对损失贡献的差异指出了在通道涡强度与尺度较大的叶栅，叶片弯曲不但会直接通过改变通道涡的强度，减少通道涡本身的损失来影响损失的大小，同时也会通过对通道涡位置的改变来影响损失的分布与大小。     

矩形通道内纵向涡发生器作用下流场的PIV实验研究

利用PIV系统对矩形通道内布置纵向涡发生器时的二次流结构进行了测量,并与光通道的流动结构进行了比较.分析了组合翼、辅翼的布置位置和布置方式对流动结构的影响.实验结果表明,在光通道入口附近,由于地球自转作用空气产生整体旋转运动,随着流动的进行,旋涡强度减弱,最后形成多个小旋涡.与光通道相比,纵向涡发生器产生的旋涡强度及影...     

燃气涡轮带肋冷却通道流动与换热的大涡模拟

为研究涡轮内部扰流肋结构的流动和传热机理,分别采用雷诺平均(RANS)方法和大涡模拟(LES)方法对肋通道周期性计算域和全尺寸计算域进行数值研究;结合实验数据,对比分析雷诺平均方法和大涡模拟在流动和换热方面的准确性.结果表明:大涡模拟捕捉到了肋顶扁平涡结构的产生与脱落过程,该旋涡在近似肋顶面的高度和下游空间内发展并掺混,强度逐渐衰减,该过程与湍流强度的分布规律一致;获得了肋前分离流动中向侧壁面偏转的横向二次流等更加详细的流场结构,更加真实地反映了流场的特性;在流动预测方面,大涡模拟更加准确地预测到了平均速度分布和脉动量湍动能的分布规律;在换热方面,大涡模拟方法对换热增强系数的预测误差比雷诺平均方法要小.     

首部射流对圆柱涡激振荡抑制的实验研究

各工程领域中的细长柱体结构常因旋涡脱落导致结构振荡(或振动)甚至疲劳破坏,为了减弱或抑制涡激振荡(或振动),有必要针对有效的旋涡脱落抑制方法展开研究.本文采用首部射流方法设计了一套流动控制装置来抑制模型的涡激振荡.通过拖曳水池中开展的实验,利用Qualisys光学运动捕捉系统,针对3种开孔布置方案和多组射流流量进行测试...     

中压低温透平膨胀机膨胀端三维数值模拟

采用CFD方法对某型号中压低温透平膨胀机膨胀端进行整机全周数值模拟,全面考虑了进气蜗壳、叶顶间隙气封、轮背气封和轴封等细节结构对膨胀端气动性能和流场的影响.研究结果表明:进气蜗壳的几何形状是造成喷嘴进口气流沿叶高方向分布不均匀的主要原因;轮背气封、叶顶气封和轴封内存在明显的旋涡流动,且叶顶气封是典型的后台阶流动,齿封内和台阶后旋涡涡轴方向相反;喷嘴和叶轮之间过小的间隙导致气流在喷嘴压力面一侧形成激波,激波/附面层干扰使叶片和下端壁附面层同时分离,在上、下端壁角区各形成一个弯曲的涡管,最后终止于动静交界面.     

错排射流冲击受限短通道内流场的实验研究

用五孔针对简化后的涡轮叶片错排射流冲击受限短通道流场进行了详细的测量,着重研究受限通道内各截面的流动规律,以及射流孔错排布置、出流孔、通道高度比和射流雷诺数对通道流动特性的影响。实验结果表明:通道高度比的变化会显著改变通道内的流场结构;在同一高度比下,射流雷诺数变化对流场结构的影响很小;出流孔的抽吸作用使附近气流加速并在通道内出流孔位置形成一局部低速区;受错排射流诱导及冲击靶面后壁面射流反卷通道内形成漩涡,使高速气流向通道侧壁甚至孔板面集中,该结果有助于深入了解错排射流受限通道内冲击冷却的内在机理。     

PIV技术在流动测试与研究中的应用

粒子图像测速是一种基于流场图像互相关分析的二维流场非接触式测试技术,在流场测量中占有非常重要的地位.本文阐述了PIV粒子图像测速的基本原理及其在复杂流场测试中的应用状况,如泊肃叶流动及圆柱绕流、横流中水平方柱绕流旋涡、涡旋波流场、横流中近壁水平圆柱绕流旋涡、角区三维分离的附着奇点结构、漩流中间包流场、角区非定常马蹄涡结构.对掌握和了解PIV测试原理及方法具有一定的参考意义.     

弯叶片压气机叶栅在不同进口附面层厚度下的特性研究

采用人工加厚叶栅进口附面层厚度的方法,研究了弯叶片压气机叶栅在不同叶栅进口附面层厚度条件下叶栅特性的变化,实验结果表明,叶栅进口附面层厚度增加时,叶栅两端区二次流损失增加,近端壁气流的过转程度加强,正弯曲叶栅中低能流体向叶栅中部的迁移能力降低２。反弯曲叶栅中角区分离加剧。叶栅出口气流角和叶栅扩压能力和叶栅进口附面层厚工密切相关。     

椭圆柱绕流尾迹的PIV测量及DMD分析

为了研究椭圆柱绕流尾迹的流动特性,利用粒子图像测速技术(PIV)对长短轴之比AR=0.42的椭圆柱在雷诺数Re=3 493,4 657,5 822三种流动工况进行了实验研究,得到了相应的尾流区瞬态速度矢量场和涡量场,并通过频谱分析得到旋涡脱落频率。结果显示:随着雷诺数的增大,椭圆柱尾流区域在竖直方向上的影响范围减小,近尾流区内旋涡形成区域缩短,旋涡脱落频率增加。同时采用动力学模态分解(DMD)方法对实验获得的速度场进行模态分解,提取了椭圆柱尾迹流场的相干结构及各个模态的频率和增长率信息。结果表明:低阶模态包含了原始流场的主要流场结构,以及与旋涡周期性脱落运动相关的主要模态。随着模态阶数的增加,衰减速度逐渐增大,涡尺度逐渐变小,并向竖直方向进行扩散。     

除湿槽对涡轮叶栅非平衡凝结流动的影响

为准确模拟汽轮机末级长叶片湿蒸汽流场,基于双流体模型开发了汽液两相非平衡凝结流动计算方法,对表面开设除湿槽的某汽轮机末级叶片进行数值研究,分析涡轮叶栅内不同除湿槽结构对非平衡凝结流动的影响及作用特点．结果表明,在叶片表面吸力面开设的除湿槽能有效降低叶栅喉部水滴成核率,从而降低相变引起的非平衡凝结损失,使叶栅出口的较大直径水滴数目显著减少;具有较大的来流进口宽度和引流结构的除湿槽结构,有利于提高湿蒸汽级长叶片表面的水膜抽吸效果．     

两类相对流面上边界层微分方程组

本文在相对正交曲线座标系中建立了两类相对流面(S_1流面和S_2流面)上边界层微分方程组。所给方程不仅描述了静、动叶流道内边界层流动的一般特性,而且可用于叶片表面和内外端壁附近由于二次流动引起流面翘曲时的计算,特别适用于与S1、S_2流面的势流方程相互迭代,求解高R_e值下叶栅流道内的三元粘性流场。     

射流泵内流场的大涡模拟

阐述了二维弱可压缩流体流动控制方程和大涡模拟湍流模型.基于该模型对射流泵各种运行工况进行了一系列数值模拟计算.计算中模拟了异常边界条件下射流泵的流场特性,重点模拟喷嘴出口回流旋涡并给出了可视化描述.对不同计算网格数和大涡模拟系数对计算结果的影响也作了论述.提出的网格生成和数值模拟方法具有较高的效率,计算结果可靠.