流体机械内部流动数值模拟方法综述

综合分析介绍了流体机械内部流动的各种数值模拟方法和最近的一些研究热点。以期有助于解决有关流体机械内部流动分析问题时采用最合适的数值方法。     

单级轴流压气机内部三维流动的数值模拟

采用一种快速求解三维粘性流场的计算方法求解轴流压气机的内部流场及全工况特性。该方法采用时间推进法和有限体积差分格式进行求解，对某单级轴流压气机内部流动进行了详细的数值模拟，计算结果与试验结果吻合良好，同时对压气机内部流场进行了分析。     

轴流泵内部流动的数值模拟研究

应用三维湍流Navier-Stokes方程、Realzable两方程湍流模型、壁面函数方法及叶轮与导叶间的滑移网格,对轴流泵段的内部流动进行了数值模拟研究,得到不同流量和不同半径处的叶片表面的压力分布特征,发现叶片背面的压力等值线的形状和分布趋势比较稳定,叶片升力面的压力等值线形状和分布趋势变化较大.     

离心式叶轮内部流动数值模拟方法的研究综述

对90年代以来离心式叶轮内部流动数值计算方法进行了综述，包括控制方程及其简化、湍流模型、计算技术以及CFD商业软件的应用。阐述了国内外学者在这些方面的研究进展，并对离心式叶轮内部流动数值模拟的发展进行了展望。     

设计工况下离心压气机内部动静部件耦合非定常流动的数值模拟

以设计工况下离心压气机内部动静部件耦合的非定常流场为研究对象,采用ＰＩＳＯ算法求解了包含绝对速度与相对速度的、统一形式的运动方程组。计算结果与试验测量结果比较,说明计算结果是可靠的;计算结果同时说明,只有采用非定常算法,才有可能较好地描述动静部件耦合的流场。     

轴流泵水力模型内部流动数值模拟

为满足南水北调东线工程对大量优秀的高比转速轴流泵的需求,采用不同于传统升力法和圆弧法的流线法设计了系列轴流泵水力模型,提出了从轮缘到轮毂线性修正的叶轮叶片环量分布规律,冲角按轮毂到轮缘增加的方式选择,取值范围为0°~3°,比转速越大,冲角取值越小.采用标准k-ε紊流模型和SIMPLEC算法计算了轴流泵水力模型三维定常流场,数值计算结果表明,数值模拟的性能曲线与同台测试的性能曲线基本吻合,叶轮轮缘的参数是水力模型高效率的关键,该系列模型实现了更高的效率和更宽的高效区特性,在南水北调东线一期工程4座泵站中得到应用。     

轴流泵端壁间隙流动特性的数值研究

基于N-S方程,标准k-ε模型和SIMPLEC算法,在三种叶端间隙、三种工况条件下,对轴流泵端壁间隙流动进行了数值模拟。重点考察了叶端间隙流动对叶轮出口流场及性能的影响。数值结果表明,间隙增加,扬程下降,特别是越在小流量工况下越明显。     

环形自激振荡射流泵内部流动特性的数值模拟

将环形射流泵和自激振荡射流的优势相结合提出了一种新型射流泵,通过数值模拟的方法研究了不同流量比工况下新型射流泵的性能和效率以及流场内部流动参数的规律变化。结果表明:不同的工况条件对新型射流泵的性能有着较大的影响,最大泵效相比于传统射流泵增大了2%左右,确定了较优工况条件为0.48≤q≤0.7;随着被吸流量的增大,流场中压力系数逐渐降低,压降增大的同时也造成了部分能量损失;两股射流在自激振荡腔室入口处的混合区范围有着明显变化,各截面动量修正系数逐渐趋于稳定,在出水管处射流基本混合均匀。     

蝶阀三维分离流动的数值模拟研究

采用基于非结构、非交错网格的有限体积法求解用两方程模型封闭的雷诺平均N S方程组 ,对蝶阀的三维分离流动进行了数值模拟。结果表明 ,蝶阀关闭角度大于 2 0°时 ,在蝶阀背面产生了流动分离 ,形成一对大小相等方向相反的旋涡。在蝶阀下游 ,这两个旋涡相互作用 ,逐渐消失。蝶阀的流动阻力系数随着蝶阀关闭角度的增大呈指数性增长     

轴流泵端壁间隙流动特性的数值分析

采用CFD计算软件CFX11.0,基于标准的k-ε紊流模型和SIMPLEC算法,对带间隙的轴流泵的内部流场进行了数值模拟.研究和分析了0、1、1.5、2和2.5mm五种不同径向间隙对轴流泵的能量特性的影响,并进行了性能预估.本次数值模拟捕捉到了叶顶间隙泄漏流动和间隙泄漏涡,并通过分析得出了间隙泄漏涡是由于间隙泄漏流与主流发生卷吸而形成的.     

叶尖小翼调控压气机叶栅间隙流场结构的试验研究*

在低速条件下,对叶尖不同位置安装小翼的压气机叶栅流场进行试验研究。通过端壁静压孔对上端壁流场进行测量,叶栅出口流场利用五孔气动探针测量,细致分析不同安装方式叶尖小翼对压气机叶栅叶尖端区流场结构、气动损失和通流能力的影响。结果表明,不同安装方式的叶尖小翼对压气机叶栅间隙流场影响不同。与无叶尖小翼的常规叶栅相比,吸力面小翼使得叶栅损失降低的同时带来了流动堵塞的降低,压力面小翼使得叶栅损失和流动堵塞同时增加,组合小翼在降低叶栅损失的同时有效降低了叶栅的流动堵塞,改善了叶栅的通流能力。通过与常规叶栅叶尖区域流场结构的详细对比分析,对不同安装方式的叶尖小翼的影响机理做出解释。     

叶顶间隙对离心叶轮性能影响的数值模拟

对5个不同叶顶间隙下离心叶轮通道中的流动情况进行了数值模拟,得到了不同间隙时叶轮的效率、压比随质量流量变化的性能曲线,分析了间隙对叶轮性能的影响。     

叶顶间隙对一跨音速压气机转子失速裕度的影响研究

针对一跨音速压气机转子,分别在动叶顶部相对间隙为0%,0.1%,0.5%,1%,1.5%,2%的六种情况进行了数值模拟。计算结果表明,间隙的存在使得转子性能如压比、效率有所下降,但适当间隙的存在使得转子喘振点往小流量点大幅迁移,又有效提升了转子的工作范围。此外,分析了由于叶顶间隙的存在使得转子工作范围增加的原因,并指出无论是否存在间隙,针对跨音速压气机转子,其进入喘振的根本原因都是由于堵塞作用使得弓形激波连同流道激波一起被推向流道上游造成的,而其中堵塞作用却是由端壁附面层发展与迁徙、叶顶泄漏流动、激波与附面层之间相互作用的共同结果。     

不同流量系数下叶顶间隙对离心压缩机模型级性能的影响

通过CFD技术,分析了不同流量系数下叶顶间隙对离心压缩机模型级性能的影响。结果表明,对于中、小流量系数模型级,叶顶间隙越大,其效率曲线下降越大,而对于大流量系数模型级,有一定的叶顶间隙可改善叶轮内流场,反而有利于离心压缩机效率性能。无论何种流量系数模型级,存在一定的叶顶间隙则可提升能头曲线。     

斜流压气机扩压器流场的数值模拟

用数值模拟方法研究了某高压比斜流压气机级,并对最大效率工况点的扩压器内部流场进行了初步分析。结果表明,斜向扩压器的最大静压恢复系数为0.525,轴向扩压器为0.502;斜向扩压器叶片压力面附面层大面积分离,造成严重的气动损失,使得其总压恢复系数较低;轴向扩压器只在叶片吸力面出现部分附面层分离,总压恢复系数相对较高;经过一排斜向叶片扩压器和一排轴向叶片扩压器,气流流动方向与子午面的夹角总共扭转了大约50°,扭转角度过大因而附面层分离严重,是造成扩压器性能下降的主要原因。     

低压轴流风机叶顶间隙对叶尖涡及外部性能的影响研究

基于其一动叶可调的低压轴流风机叶轮,通过对其在不同叶顶间隙下的叶顶区域进行数值模拟分析。计算结果分析表明:该轴流风机在叶顶间隙较小时虽然会出现泄漏流动,但不一定会出现泄漏涡,随着叶顶间隙的增大,泄漏流动将变得不明显,取而代之的是泄漏涡,并且泄漏涡的强度和影响区域随着间隙的增大而增大;在相同流量下,通风机的全压随着叶顶间隙的增大而减小;随着流量的降低,叶顶间隙越大,越早进入非稳定状态。     

轴流压缩机转子叶顶扩稳结构设计

为控制泄漏流提高压缩机的稳定工作裕度,采用了叶顶前缘端削与叶顶篦齿组合的设计。对该结构的数值研究表明:前缘端削通过引入高能来流对间隙泄漏流的抑制作用增强,篦齿在一定程度上阻断泄漏流由压力面向吸力面的流动,二者共同作用使压缩机在不同转速下的稳定工作裕度均获得一定提升。     

某型高压压气机12级转子叶尖间隙理论分析与数值模拟

以某型发动机轴流高压压气机为对象,研究该压气机第12级转子与机匣在运行过程中受温度、气动和离心载荷综合作用下的径向变形。先通过改进预测涡轮叶尖间隙的理论简化模型,来预测该压气机在各工况下叶尖间隙变化规律;再通过三维建模,运用有限元软件ANSYS对压气机各工况进行流-固-热耦合瞬态分析模拟,得到叶尖间隙变化规律,提取间隙变化最大时的各部件径向变形并沿轴向展开。结果表明:两种方法获取的间隙变化规律趋于一致,但理论分析能较快获取规律,而数值模拟结果更加精确,并可以确定叶片顶端最易刮伤的结构位置。研究结果对快速预测叶尖间隙,确定装配间隙和机匣涂层的分布有着重要的参考价值。     

转子对高压涡轮叶尖间隙变化规律的影响

基于涡轮叶尖间隙主动控制的需要,初步分析了涡轮叶尖间隙的变化机理,建立了机匣、叶片和转子的简化模型。在此基础上,分别仿真计算转速变化和发动机起动过程瞬态温度下转子的径向变化,讨论了转子在飞行器机动飞行情况下的振动幅值对叶尖间隙的影响。结果表明,转子振动幅值和径向位移对叶尖间隙变化有重要作用。