涡轮级进口温度分布不均匀时流场和温度场的非定常数值模拟

采用Jameson的四阶龙格－库塔法研究了高压涡轮叶栅进口有温度畸变时的涡轮流场。通过对一级涡轮叶排的非定常数值模拟,计算结果表明,由于叶排间的相互运动,叶片表面的压力呈周期性地变化,流场也是周期性地变化;当进口气流温度分布不均匀时,进口的热气流会向转子压力面上适移,导致压力面上产生热点,使动叶表面温度发生很大变化,加入热斑时静叶栅内流场的影响较小,对动叶栅内流场影响较大。     

微小型涡喷发动机向心涡轮的流动仿真

为了详细研究微型向心涡轮的内部流动特性,对一台自研微型涡轮发动机的涡轮进行了气动设计和全三维粘性数值模拟仿真,验证了叶片型线设计方案的可行性,得到模拟计算结果（落压比为1.91,总压绝热效率0.73,出口气流马赫数为1.2,流量13.8g/s）。研究了微型涡轮设计工况下内部的气流状态,对微尺寸下涡轮内部的流动特性及各种流动损失产生的特点及原因进行分析总结。结果表明：导向叶流道内的流动损失主要为由气体粘性引起的叶型损失;动叶流道中流动损失主要为气体在动叶前缘产生冲击形成的滞止损失与边界层损失,动叶出口叶片尾缘处形成的尾迹涡流损失。     

径向导叶式多级泵单级叶轮切割的三维数值模拟

为探究径向导叶式压出室离心泵叶轮切割后性能的变化,基于N-S方程、标准k-ε湍流模型和SIMPLE算法对MD-280-42×4多级离心清水泵单级叶轮外径切割进行三维湍流数值计算,分析不同切割量下径向导叶式离心泵外特性和内部流动变化。结果表明:在设计工况(Q_d=0.078 m3/s)下,随着切割量的增加,径向导叶式离心泵的水力效率、轴功率均呈现下降趋势;在相同小流量工况下,随着切割量的增加,叶轮与导叶间隙和反导叶流道处流动损失逐渐减小,水力效率呈现上升趋势;在相同大流量工况下,随着切割量的增加,正反导叶流道流动均匀性受到较严重破坏,产生了较大的能量耗散,水力效率明显下降。       

基于流固耦合的涡轮叶顶喷气冷却特性研究

高温燃气在涡轮动叶叶顶产生的泄漏流不但降低了涡轮效率,更是加剧了叶顶的热负荷. 本文基于实验模型,采用流固耦合的数值计算方法,研究了涡轮凹槽叶顶的间隙流与冷却射流相互作用的流动机理以及顶部喷气冷却对凹槽壁面换热效果的影响,重点分析了吹风比、冷却孔倾斜角、冷却孔进气角以及固体材料导热系数对壁面Nu数的影响. 结果表明: 大吹风比（M=1.5）能有效改善凹槽近压力面一侧肋条及底部的换热,Nu数分布更加均匀；进气角产生的“喷射效应”改变了冷却气流高速区的出口相对位置,当进气角大于0°时,冷却气体能有效阻隔高温流体使壁面Nu数降低；低导热系数材料降低了气流对固体壁面的对流换热,使得壁面的对流换热更加均匀.      

倾斜/弯曲导叶对跨声速涡轮非定常性能的影响

为探究倾斜/弯曲导叶对涡轮气动性能及非定常性的影响,采用SAS SST方法求解N-S方程组,对不同倾斜/弯曲导叶构型的跨声速涡轮级进行全三维黏性非定常数值模拟.分析倾斜/弯曲导叶对涡轮级效率及效率波动的影响,以及对导叶和下游动叶总扰动强度、各阶谐频扰动强度的影响,结合时空图将扰动与流动现象进行关联,探究导叶构型影响涡轮非定常性的机理.结果表明:正倾斜和正弯曲导叶可以有效地提升涡轮级效率,并减小涡轮级效率波动水平,使得涡轮级运行更加平稳;跨声速涡轮转子叶片上主要气动扰动来源于导叶尾缘激波在下游转子叶片上移动及反射产生的压力扰动,倾斜/弯曲导叶可以有效降低转子叶片扰动强度;正倾斜导叶主要通过影响一阶谐频的扰动强度来降低转子叶根和叶尖的总扰动强度,但叶中区域扰动强度则通过降低二阶及更高阶谐频上的扰动实现;正弯曲导叶转子叶根位置的扰动强度降低主要通过三阶谐频扰动强度降低实现,叶尖区域扰动强度的降低主要通过一阶谐频扰动降低来实现,而叶中区域的扰动强度则通过各阶谐频上扰动强度共同降低实现.     

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%。     

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.     

1.4L柴油涡轮增压器涡端流热耦合分析

涡轮增压器涡端气体的高速流动和换热问题具有一定的复杂性,准确计算涡轮增压器的内流场和外特性具有较重要意义.以一典型的柴油机涡轮增压器为原型,基于CFD流体动力学,进行涡端内部三维湍流和热场的耦合计算.通过3个膨胀比下的涡端内流场和温度场的对比,分析涡端透平在不同工况下的性能表现.研究结果表明:涡轮进口吸力面有明显漩涡存在,流动向工作面偏移,叶片进口位置对流动影响明显,在大膨胀比下更为显著;在叶片进口前端、进口低速区、叶片表面等位置出现局部高温区,沿流动方向和径向均有温度梯度存在,温度分布规律和速度变化规律一致;不同膨胀比下,叶片进口位置压力载荷变化较大,叶片其他位置载荷变化相对稳定.计算预测曲线与试验曲线较为吻合,研究结果能为涡端透平的优化设计提供参考.     

进口导叶/叶轮/扩压器非定常相干的数值研究

在非零进口导叶预旋角度下,采用非定常的方法对进口导叶/叶轮/扩压器三部件之间非定常相干进行了数值模拟,研究了进口导叶/叶轮/扩压器三部件之间动静相干的机理。结果表明,叶轮由于受进口导叶尾流和扩压器势反冲效应的双重非定常影响,叶轮受非定常影响最小的区域出现在叶片50%弧长附近,最大的非定常影响出现在叶轮和扩压器之间的动静交界面上。当离心压缩机前带有进口导叶预旋时,扩压器受前面两部件的同时影响,扩压器叶片上的非定常变化沿流向比较均匀。     

导叶几何参数对液力透平压力脉动的影响

为提高导叶式液力透平的运行稳定性,研究导叶几何参数对液力透平压力脉动的影响。在IS80-50-315型低比转速离心泵反转作液力透平叶轮进口前添加径向导叶,对导叶出口角、叶片数和径向高度采用正交试验设计的方法匹配相同叶轮形成新的液力透平模型,利用CFX软件在蜗壳内、导叶与叶轮间隙和叶轮上沿周向设置监测点进行定常和非定常数值计算,对定常计算结果进行极差分析,得出导叶几何参数对液力透平性能影响的主次因素,形成最优方案组合,并对非定常数值计算压力脉动结果进行时域和频域分析。结果表明：径向导叶几何参数组合对水力效率和水头的影响均为叶片数>径向高度>出口角;导叶式液力透平的压力系数在导叶与叶轮间隙上最大,其次在叶轮上,蜗壳内部压力系数最小;当叶轮叶片数相同时,径向导叶出口角和径向高度的值在合理范围内选取较小值时,有利于降低导叶式液力透平的压力脉动幅值和提高运行稳定性。     

竖直光管及环隙流道内沸腾换热启动时的壁温变化规律

在常压下竖直光管和环隙流道内沸腾换热启动阶段的壁温变化规律进行了实验研究,结果表明,光管壁温变化可分为跃升和平稳上升两个阶段,环隙流道温变化经历跃升,各截面平均温度不变和快速上升三个阶段,而且壁温和流动均产生强烈波动,影响壁温波动规律的主要因素有：初始温度,热负荷,环隙宽度及壁面吸附的不凝性气体等。     

深海矿产矿浆泵矿石颗粒回流性能

针对深海采矿矿浆泵回流较差的问题,本文使用CFD-DEM方法,计算球形颗粒在某型矿浆泵单级和两级叶轮导叶内的回流,混合粒径颗粒回流以及非球形颗粒的回流情况。颗粒群在单级叶轮导叶回流时,由于不同导叶叶片与叶轮叶片之间的相对位置差异,不同导叶流道内颗粒群的回流情况不同;颗粒群的回流情况与叶轮导叶的形状有关,高比转速小包角叶片的设计更有利于颗粒回流。颗粒群在两级叶轮导叶内回流时,次级叶轮导叶内颗粒流动情况与单级基本相同,但首级不同导叶流道内的颗粒分布既受到首级叶轮导叶叶片相对位置的影响,还与首级导叶叶片和次级叶轮叶片的相对位置有关。混合粒径颗粒群的回流能力要弱于单一粒径,不同粒径颗粒在不同级叶轮导叶内通过时间也有所差异。相对于球形颗粒,非球形颗粒回流性能要差很多,增大了可回流矿浆泵的设计难度。     

周向总压畸变在轴流压气机中的传递特性预测新模型

基于轴流压气机分级级特性，建立了一种预测周向总压畸变沿轴流压气机传递的级矩阵分析新模型。应用新模型于2个轴流压气机算例，对其进口总压畸变传递特性进行了详细的数值分析，新模型预测的总压、总温及气流角的周向分布与叶排特性模型结果比较表明，新模型和采用的方法合理、可行。新模型计算结果表明，随着压气机工作点向不稳定边界移动，压气机级出口的总压畸变衰减程度明显降低，并且其级出口周向总温分布不再与转子进口绝对流动角周向分布相对应，其级进口绝对流动角减小、攻角增大，这主要与压气机级特性分布规律变化有关，显然这对压气机性能及稳定工作范围产生不利影响。     

轮缘封严气流与上游导向器非定常干涉数值研究

为了研究涡轮转静盘腔中的轮缘封严气流与主流的非定常干涉效应,在不同封严流量下对上游导向器的流场分布和非定常特性进行了数值模拟。结果表明,封严出流的堵塞作用引起吸力面后半段轮毂附近静压的升高和熵增的减小,以及导向器出口速度的降低。从无封严腔体到RI=1.7%,5%叶高吸力面静压系数最大增加了6%。封严出流造成横向压力梯度减小使得轮毂通道涡和轮毂尾缘脱落涡的强度减弱。不存在封严气流时,燃气入侵使得10%叶高以下范围非定常波动降低;存在封严气流时,来自燃气入侵和腔体进口的封严出流的耦合作用使得非定常波动不断减弱。     

流量骤减工况下离心压缩机瞬态特性的数值分析

为研究离心压缩机在流量骤减过程中的瞬态特性,在设计转速下对离心压缩机模型级进行全流道非定常数值模拟,对该过程中流场结构的时空演变情况进行了捕捉,同时对级内流动稳定性以及叶轮气动载荷进行了分析。结果表明:在离心压缩机流量骤减过程中,扩压器中失速微团沿叶轮旋转反方向加速运动,在空间上呈现出由扩压器向叶轮、由轮盖向轮盘延伸的趋势;各通流部件中气体流动稳定性随流量降低逐渐变差,叶轮受到气流的轴向力与转矩变化均呈现低频大幅值脉动趋势,当该离心压缩机模型级流量降低至3.9 kg/s时,叶轮受到气体的径向力分量出现短暂的异常波动,随后径向力合力骤增近一个数量级,这对于预防离心压缩机失效等事故的发生具有重要的指导意义。     

进口总压畸变对亚声速轴流压气机流场影响数值研究

文章采用全三维定常、非定常数值模拟,计算3种不同周向总压畸变:1×120°、2×60°以反5×24°周向总压畸变对某亚声速轴流压气机总性能影响,并详细分析了总压畸变对压气机内部转子流场的影响.数值模拟结果揭示了;周向总压畸变对该压气机转子总性能影响不大,而对它的失速裕度影响较大;1×120°周向总压畸变,失速裕度损失最大,约有7%的裕度损失.2×60°以及5×24°周向总压畸变,裕度损失分别为3%和1.5%;畸变区与非畸变区边界上有明显的周向流动,且流动方向为从非畸变区指向畸变区内,当叶片进入畸变区时,叶片载荷减小,当离开畸变区时,叶片载荷增大;进口周向总压畸变使得堵塞流量减小,同时引起出口总温总压畸变.     

热电偶涂层对导向叶片温度测量影响的数值研究

为分析涂层测温结构对航空发动机涡轮导向叶片表面温度测量精度的影响,建立了测温结构的数学模型。以热流耦合理论为基础,采用SST-γ-θ湍流模型求解动量和能量方程,研究了涂层位置、涂层厚度和前缘形状对叶片待测区域温度的影响。研究表明:考虑转捩的SST-γ-θ具有较好的数值计算精度,其温度计算结果与试验误差不超过10%;当涂层前缘位于转捩点附近时,涂层对测量精度的影响较大;与叶盆中部和叶背前缘相比,涂层对叶背中部和叶背尾缘的测温精度影响较小;当涂层厚度小于总温边界层厚度时,测量精度几乎不受影响;将涂层前缘加工成圆角可以有效减小涂层对叶盆面测温精度的影响。     

进气温度畸变瞬变条件下发动机稳定性数值模拟

用分析压气机工作稳定性的一维非线性模型，通过龙格库塔数值方法，模拟具有单转子多级高转速压气机的涡喷发动机在稳态进口总温畸变、总温突升以及组合情况下的工作稳定性。研究了温度畸变条件下发动机稳定工作裕度的损失及不稳定工作的响应过程，对总温畸变问题给出了定性和定量的结果分析。     

基于CFD的轴流式油气混输泵动叶优化设计

为研究翼型前缘半径对轴流式油气混输泵动叶性能的影响机制,基于RNG k-ε湍流模型及SIMPLEC算法对不同翼型前缘半径的动叶模型进行数值分析,分析不同模型流场中的压力、速度、气相分布规律。数值计算结果表明:增大翼型前缘半径有助于提高动叶增压能力,同时能有效减小动叶出口附近的二次流损失,并抑制轮毂侧气体滞留和流道内的气液分离现象;当含气率(GVF)为0.2时,在设计工况（Q = 100 m3/h）下,优化后的模型M4较原模型压缩级效率提高了3.45%;在小流量工况（Q = 60 m3/h）下,优化后的模型M4较原模型压缩级效率提高了1.47%,说明将翼型前缘半径增大到最大厚度的40%时,能够有效降低能量损失,提高压缩级性能。     

基于CFD的轴流式油气混输泵动叶优化设计

为研究翼型前缘半径对轴流式油气混输泵动叶性能的影响机制,基于RNG k-ε湍流模型及SIMPLEC算法对不同翼型前缘半径的动叶模型进行数值分析,分析不同模型流场中的压力、速度、气相分布规律。数值计算结果表明:增大翼型前缘半径有助于提高动叶增压能力,同时能有效减小动叶出口附近的二次流损失并抑制轮毂侧气体滞留和流道内的气液分离现象;当含气率(GVF)为0.2时,在设计工况(Q=100 m3/h)下,优化后的模型M4较原模型压缩级效率提高了3.45%;在小流量工况(Q=60 m3/h)下,优化后的模型M4较原模型压缩级效率提高了1.47%,说明将翼型前缘半径增大到最大厚度的40%时,能够有效降低能量损失,提高压缩级性能。