畸变进气条件下风扇三维非定常流动数值模拟

分析畸变进气情况下轴流风扇/压气机三维流场和性能的三维可压缩模型.该模型利用流线曲率法求得叶片对气流做功的叶轮机源项,然后通过求解带源项的三维非定常Euler方程,对风扇/压气机内部三维流场和性能进行模拟.利用该模型对某一跨音速风扇转子的三维流场和性能进行了数值模拟分析,特别是分析对比了在进口无畸变和进口有畸变情况下的风扇内部三维流场和气动性能.研究结果表明,该三维理论预测模型能有效地分析进气畸变对轴流风扇性能及其稳定性的影响.     

多级轴流压气机一维性能预测程序开发及应用

为了实现对轴流压气机气动性能的准确预测,基于平均流线法建立了多级轴流压气机一维气动性能预测方法,编制了相应的Matlab程序,该方法允许针对不同类型压气机选择适用的经验模型。通过计算得到了某四级亚音速轴流压气机和某八级高速轴流压气机的气动性能,对比分析发现,一维性能预测结果与实验/三维CFD模拟结果吻合较好,效率与压比计算偏差均保持在较小范围内,预测结果精度较高。为进一步提高压气机气动性能预测的准确性,发展了一种经验模型自动校准方法,采用该方法对选取的四级亚音速轴流压气机和八级高速轴流压气机模型进行校准,校准后对各转速下气动性能的预测精度均有所提高。研究工作表明,所建立的多级轴流压气机一维气动性能预测方法以及模型自动校准方法具有一定的准确性和可靠性。     

大型动叶可调轴流风机气动性能数值模拟北大核心

发展了一种1.5D、非定常的计算流体力学(CFD)模型用于快速准确地预测大型动叶可调轴流风机的气动性能。该模型基于求解1.5D的欧拉方程附加源项,其中源项用于模拟叶片排、摩擦和流道变化对气流的影响,并可以通过求解叶片排的进出口速度三角形求得。附面层模型、损失模型和落后角模型用于求解叶片排进出口气动性能参数。根据给定的单级动叶可调风机在设计转速下的实验气动性能曲线,优化模型中的损失系数和落后角系数使得计算结果和实验计算相近。改变动叶可调风机的安装角,本模型预测得到的该风机在安装角变化(+10°,+5°,-5°,-10°)的性能曲线与实验结果误差小于2%,这证明了本模型在经验参数优化后能够较为准确地预测出动叶可调轴流风机的气动性能,具有较强的工程应用价值。     

大型动叶可调轴流风机气动性能数值模拟

发展了一种1.5D、非定常的计算流体力学(CFD)模型用于快速准确地预测大型动叶可调轴流风机的气动性能。该模型基于求解1.5D的欧拉方程附加源项,其中源项用于模拟叶片排、摩擦和流道变化对气流的影响,并可以通过求解叶片排的进出口速度三角形求得。附面层模型、损失模型和落后角模型用于求解叶片排进出口气动性能参数。根据给定的单级动叶可调风机在设计转速下的实验气动性能曲线,优化模型中的损失系数和落后角系数使得计算结果和实验计算相近。改变动叶可调风机的安装角,本模型预测得到的该风机在安装角变化(+10°,+5°,-5°,-10°)的性能曲线与实验结果误差小于2%,这证明了本模型在经验参数优化后能够较为准确地预测出动叶可调轴流风机的气动性能,具有较强的工程应用价值。     

基于扩压因子流型的压气机快速性能预测算法

为快速、准确地获得压气机性能参数、完成压气机性能预测,实现压气机优化设计,基于流线曲率法,将扩压因子作为控制方程、损失模型、熵增修正模型及落后角模型中的关键参数,建立轴流压气机性能快速预测算法。利用该算法对某跨音速轴流压气机性能参数进行计算,并将计算结果与主流商业软件计算结果及试验数据进行对比。通过对比发现：该算法计算效率高,能够快速且较为准确地完成压气机整体性能和沿叶高方向流场参数的预测;计算范围广,在不同转速、不同流量等非设计工况下算法预测结果均与试验及数值模拟数据接近;所选取与完善的经验公式合理可靠,能够较好地描述压气机内部流动。     

轴流压气机多叶片排的气动优化设计

对某多级轴流压气机前三排叶片径向积叠方案进行了气动优化。该方案以商用软件iSIGHT作为平台,利用试验设计方法对整个搜索空间进行初步探索,采用逐次序列二次规划算法进行局部寻优,利用商业软件NUMECA进行粘性流场数值评估。对压气机全工况性能的计算表明,在流量和压比不减少的情况下,优化后的叶型设计工况和非设计工况性能均得到了改善。     

多级轴流压气机全工况特性预测

使用三维粘性流动计算软件Fine／Numeca,研究了多级轴流压气机在设计工况及非设计工况的性能预估问题。对某七级轴流压气机进行了全工况特性数值计算。重点分析了低转速下近失速点、设计转速下近最高效率点、高转速下近堵塞点、进口导叶关小时设计转速下近失速点等四个典型工况点的流场特性。计算工作在自主开发的20节点集群计算机系统上进行。计算结果表明现有的软件和硬件平台能比较准确地预测压气机多叶片排的全工况特性。     

某重型燃气轮机17级轴流压气机特性预估计算研究

以某重型燃气轮机用17级轴流压气机为研究对象,建立了一种可用于多级轴流压气机特性预估的损失和落后角模型.运用流线曲率法计算得到了不同转速下的压气机特性变化曲线.并将其与全三维数值模拟结果进行了对比,验证了该模型在大流量多级轴流压气机特性预估方面的有效性.通过对设计点各级加工量、总压升分布以及各叶排落后角、效率沿径向分布的对比,验证了该模型在计算大流量多级轴流压气机设计点各级性能参数分布以及各叶排气动参数分布方面的可靠性.     

动叶正弯对压气机性能影响的数值研究

对某多级高亚音轴流压气机的第七级动叶叶片进行了正弯设计的参数研究,得到了适用于所研究压气机的弯动叶气动性能变化规律,数值研究结果表明:对于正弯叶片,弯角和弯高存在一个最佳数值.动叶正弯改善了压气机级的气动性能,提高了整级的效率和压比.     

一种基于全三维数值计算的多级轴流压气机喘振边界预测方法

提出一种基于全三维数值计算的多级轴流压气机喘振边界预测方法。该方法采用了NUMECA和ANSYS/CFX两种不同的商业软件,在充分考虑压气机几何结构特征的基础上,根据压气机各级叶片排结构特点,建立了通用的压气机叶片排网格拓扑结构,并从各个方向对压气机叶片排网格节点进行控制来保证压气机叶片排各向网格节点一致。对不同负荷类型、不同结构型式的压气机特性进行了算例分析,并就流量、压比和效率等压气机特性参数进行对比研究。结果表明:该喘振边界预测方法对不同压气机具有较高的适用性,计算结果与试验结果也比较吻合。     

燃气轮机气动热力相关部分问题研究

简要综述了本研究组近年来在燃气轮机气动热力相关方面的研究工作进展,包括多级轴流压气机整机全工况特性的数值分析,多级轴流压气机间隙流动对性能的影响分析;燃气透平冷却叶片的气动分析方法。着重描述了叶轮机械叶片三维粘性气动优化设计系统及其实用状况。展现了在我国燃气轮机产业的消化吸收与自主研发中发挥作用的可能性,展望了本研究组的长远研究目标。     

两级压气机数值模拟及性能分析

为了深入了解某多级轴流压气机的中间两级的内部流场及气动性能,为进一步的优化设计提供数据支持,利用商用软件Numeca对其进行了全三维数值模拟及详细的气动性能评估和流场分析。结果表明:该两级压气机具有良好的气动特性。     

多级涡轮三维黏性流场的数值模拟

采用多叶片排网格生成技术，利用实质为标准κ-ω模型的改进型BSL双方程湍流模型对一个四级低压动力涡轮进行了数值模拟，其中多叶片排间参数传递采用“混合平面”方法。通过设计工况下计算结果和设计参数的对比，分析了此型多级涡轮的气动特点。末级导叶正弯优化设计显示弯叶片提高了此型多级涡轮的通流性能，同时也表明了弯叶片优化设计时进行多级黏性流匹配计算的必要性。     

多级轴流压气机喘振特性分析

基于求解三维雷诺平均N-S方程,采用混合平面法并应用微机网络并行计算技术,结合Spalart-Allamaras一方程湍流模型,对某型多级轴流压气机非设计工况进行了数值计算,分析了近喘振工况下的流场特性。结果表明:在近喘振点时气流流量减小,在叶片吸力面尾缘处容易出现分离,而且叶根附近分离最强。数值模拟结果与实验数据吻合较好,可为压气机的设计和优化提供参考。     

舰船大功率轴流压气机气动设计研究

基于建立的舰船大功率多级轴流压气机气动设计体系,开展了舰船用某型大功率燃气轮机压气机设计研究,完成了6级轴流压气机的气动设计。进行了一维反问题设计、一维特性计算分析、S2反问题计算、叶片造型以及三维CFD计算分析。各级载荷分布从前面级到后面级逐渐降低,叶展方向按照等压比分配以避免径向掺混损失过大,S2设计并没有严格遵循传统的设计规律(等环量、等反动度等),而是基于一维设计方案通过不断调整优化获得的。根据CDA的特点,开发了可用于工程应用的叶片造型程序,可实现不同中弧线、不同厚度分布调节,能够实现叶片弯、掠等功能。三维数值模拟结果表明,考虑动叶叶顶具有0. 5 mm间隙的情况下,6级压气机设计点效率达到89. 75%,设计转速下的喘振裕度为22. 5%,同时具有较好的变工况性能。     

定制叶型在多级压气机中的应用研究

为验证某定制叶型在多级轴流压气机中的实际应用效果,采用该叶型对一台两级轴流压气机进行了叶片优化设计。三维数值模拟结果表明:采用此种定制叶型后,压气机的设计效率提高1.15%,设计点流量增加1.08 kg/s;同时,对优化后的压气机进行了性能试验,并采用激光多普勒相位测速(PDA)技术对第一级动叶前后的相对气流角沿径分布进行了测量,试验结果证明,优化后的压气机能够达到设计性能指标,并且沿径气流分布与设计情况吻合较好。     

多级轴流压气机全工况性能计算

运用三维粘性流动计算软件Fine／Numeca对某重型燃气轮机多级轴流压气机的前5排叶列进行了全工况下的数值联算．重点分析了设计转速下可调导叶角度的变化．以及可调导叶处于设计角度时转速的变化对压气机特性的影响。计算中采用Jameson的中心差分格式使用全局时间推进方法求解N—S方程和Spalart-Allmaras一方程湍流模型。结果表明，这套方法能比较准确地反映压气机在各种工况下的性能，同样适用于后续阶段的整机联算。．     

跨音轴流压气机气动设计与数值优化

介绍了带有进口导流叶片的三级跨音轴流压气机的气动设计与数值优化过程,气动设计采用准三维体系,包括一维平均流线设计、S2流面通流设计和任意中弧线叶片造型设计,并利用商用软件Numeca进行压气机流场分析.采用遗传算法结合人工神经网络的全局优化方法对第一级跨音动叶在多级环境下进行三维数值优化.结果表明:与优化前相比,优化后跨音级动叶叶尖的激波-边界层干涉损失明显降低,第一级动叶与三级压气机整机近设计点的绝热效率分别提高了0.87%和0.37%,压气机整机的质量流量、总压比、绝热效率和失速裕度均能够满足设计目标.     

雷诺数对压气机性能影响的数值模拟

采用加入AGS转捩模型的Spalart—Allmaras湍流模型对低雷诺数条件下NASA37跨音速压气机转子内部流场进行数值模拟。分析了雷诺数对NASA37压气机转子内部流场特性和性能的影响,探讨了雷诺数对压气机气动性能的影响机理和影响规律。结果表明,随着雷诺数的降低,叶片表面吸力面附面层分离增大,压气机的效率和增压比都逐渐下降,稳定工作范围减小,特别是当雷诺数低于临界雷诺数时,压气机的工作性能和稳定性都发生明显下降。     

600MW空冷汽轮机组低压排汽缸流场模拟和结构优化

采用雷诺平均的NS方程和标准的k-ε湍流模型对某空冷汽轮机低压排汽缸进行数值模拟。计算结果显示设计工况下该排汽缸中扩压器出口附近流动发生了分离,导致排汽缸的气动性能不理想。为了改善扩压通道的流场进而提高其气动性能,对扩压器结构进行了优化。优化后的扩压器出口的静压恢复系数比原结构提高了46.5%,总压损失系数分别降低了20.4%。对于排汽缸,其出口的静压恢复系数提高了137.7%,总压损失系数降低了30.6%。由此说明优化后的排汽缸具有较好的气动性能。