燃气轮机流动大涡模拟的进展与挑战（英文）

Gas turbine flows are complex and very difficult to be predicted accurately not only due to that they are inherently unsteady but also because the presence of many complex flow phenomena such as transition,separation,substantial secondary flow,combustion and so on.Those complex flow phenomena cannot be captured accurately by the traditional Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)and Unsteady RANS(URANS)methods although they have been the main numerical tools for computing gas turbine flows in the past decades due to their computational efficiency and reasonable accuracy.Therefore,the desire for greater accuracy has led to the development and application of high fidelity numerical simulation tools for gas turbine flows.Two such tools available are Direct Numerical Simulation(DNS)which captures directly all details of turbulent flow in space and time,and Large Eddy Simulation(LES)which computes large scale motions of turbulent flow directly in space and time while the small scale motions are modelled.DNS is computationally very expensive and even with the available most powerful supercomputers today or in the foreseeable future it is still prohibitive to apply DNS for gas turbine flows.LES is the most promising simulation tool which has already reasonably widely used for gas turbine flows.This paper will very briefly review first the applications of LES in turbomachinery flows and then focus on two gas turbine combustor related flow cases,summarizing the current status of LES applications in gas turbines and pointing out the challenges that we are facing.     

叶顶间隙对轴流风机性能影响的大涡模拟研究

为了研究分析叶顶间隙对轴流式通风机性能的影响,分别对1mm、2mm和4mm的三种叶顶间隙建立了三维全流道作为计算域,采用大涡模拟方法对其三维全流场进行数值模拟,得到了轴流式通风机的效率和压升随流量的变化曲线,对比分析了不同的叶顶间隙对风机性能的影响,另外,得到了叶顶泄漏涡的强度和影响区域随着叶顶间隙的增大而增大。     

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。     

射流泵内部流动的二维大涡模拟

建立了弱可压缩的大涡模拟运动方程，采用弱可压缩流体运动方程作为控制方程，按照Deardorff的方法引入大涡模拟，利用Smagorinsky的亚格子紊动模型封闭水流运动方程组；进而对该守恒形式的方程进行求解，用有限何种法离散，用MaCormark显式预测-校正步进法计算。通过大涡模拟，得到了射流泵内部流动的流场分布，轴向压力和流速变化，为射流泵理论研究和优化设计提供了可靠依据。     

径流涡轮叶尖间隙对叶片振动的影响研究（英文）

由于对高效、高响应性涡轮增压器的大量需求,径流涡轮叶片的高周疲劳已成为涡轮增压器损坏的最常见原因。叶尖间隙是主导叶尖泄漏涡演化的关键参数,并影响叶片表面的气动激振力,其对叶片振动的影响不可忽略。本文采用单向流固耦合数值方法,研究无叶径流涡轮叶尖间隙对叶片振动的影响。结果表明,叶片振幅随间隙增大成"V形"变化趋势。广义能量分析表明,"V形"趋势由压力谐波分量的幅值在叶片表面的分布所决定。流场分析进一步表明,压力谐波分量的幅值在叶片压力面和吸力面的分布均受叶尖泄漏涡影响,但两者的机理不同。     

不同间隙大小轴流压气机转子叶尖泄漏非定常流动的DDES研究（英文）

叶尖泄漏流动对航空发动机的压气机性能有很大的影响,对其进行准确的数值模拟十分重要。延迟脱落涡模拟(DDES)方法在保证计算准确性的同时节省了计算资源。本文针对不同间隙大小和不同工况对大尺寸低速轴流压气机转子进行了DDES模拟。将时均结果与瞬时结果进行了比较,分析了不同叶尖尺寸下流动的非定常性。然后利用LUMLEY三角形分析了叶尖泄漏流动的雷诺应力各向异性。各向异性沿叶尖泄漏涡向下游发展方向变化。小间隙情况下各向异性较弱,这是由于小间隙情况下流动更加稳定。最后,利用快速傅里叶变换(FFT)分析了泄漏涡核心的速度脉动频谱,讨论了泄漏流动的非定常性。     

基于大涡模拟的空气绕流微细管流动特性研究

在1000≤Re≤7000范围内,采用大涡模拟对空气绕流1mm微细管进行了数值研究,通过升阻力特性和时均雷诺应力分布等湍流统计特性着重研究微细管表面受力特性以及极近尾流区流动特性。结果表明,在获取空气绕流微细管湍流统计特性时,统计70个涡脱周期的时间足以获得可靠的时均统计结果;随着临界雷诺数的增大,时均阻力系数和微细管表面压差阻力变化趋势相同先减小后增大,表面摩擦阻力减小,流动分离提前;此外极近尾流区湍流脉动强度在雷诺数增大到5000后,继续增加雷诺数对极近尾流区湍流发展无明显促进作用。     

不同叶片厚度对轴流风机流动特性影响的数值模拟

为了获得不同叶片厚度对轴流风机流动特性的影响,对叶片相对厚度为6%、9%、12%以及15%的4种风机进行了数值模拟。结果表明:薄叶片风机在设计流量点附近有更好的气动性能,但流量变化对风机性能的影响明显大于厚叶片风机,厚叶片的风机有更大的稳定工作区间。叶片厚度的增加,改善了叶片前缘附近的流动情况,但使叶片尾缘附近的做功能力减弱,流动分离更加严重;减小了叶顶泄漏流对主流的影响和叶顶二次流动强度,但叶片中尾部二次流强度增加,使流动失稳,增加了能量损失,使得风机气动性能降低。     

叶尖间隙对轴流压气机近失速叶尖流动的影响

为研究动叶间隙大小对轴流压气机近失速叶尖流动的影响,以一台高亚声速一级半压气机级为研究对象,在设计间隙、小间隙及2个大间隙下进行定常三维数值模拟。计算结果表明,设计间隙下压气机喘振裕度最大,随着间隙增大,裕度近似呈线性降低,失速形式由动叶吸力面分离引起的"叶尖失速"转变为"泄漏涡堵塞失速"。大间隙情况下,叶尖前缘附近发出的泄漏流形成松散的涡系结构,诱导中部及尾缘附近泄漏流共同形成回流及大量二次泄漏,堵塞转子通道进口,引起失速的发生。     

吸力面叶尖小翼构型对轴流风机气动性能的影响

叶顶间隙泄漏是造成轴流风机损失的重要原因之一,在吸力面安装叶尖小翼能抑制一定程度的叶顶间隙流动,提高轴流风机气动性能。本文数值模拟了在吸力面安装不同宽度以及长度叶尖小翼对轴流风机内部流动及性能的影响。结果表明,增大吸力面叶尖小翼宽度可减小叶顶间隙流,延缓叶顶泄漏涡的生成和脱落,使其向远离吸力面偏移,减小了分离损失。当宽度为3倍叶片厚度时,设计工况全压效率提高了0.73%。而不同长度吸力面叶尖小翼的结果对比表明,当叶尖小翼长度为0.6倍弦长时,即可达到1倍弦长叶尖小翼对叶顶间隙流动同样的改善效果。     

减少高速旋转的叶轮机械轴承中的热油流动（英文）

Tilting pad journal bearings are used in turbomachinery like turbo compressors, turbo gears, gas turbines and steam turbines. By increasing the power density, the applied loads and velocities have been increased simultaneously over the last decades.To overcome conservative operation limits, it is helpful to reduce the oil film temperatures by certain design modifications. Especially the hot oil carry-over may be reduced when design measures are taken to prevent the majority of the hot oil coming out of one pad and reaching the next pad. Beside that,this measure fresh oil should be mixed with hot oil as little as possible.The article is based on the paper"Reduction of Hot Oil Carry Over in High Speed Running Turbo Application Bearings"presented at the 12 thEDF/Prime Workshop, Futuroscope [1].     

叶尖凹槽对某燃气涡轮叶尖间隙流动影响的研究

采用数值模拟的方法研究了叶尖凹槽对某燃气涡轮性能及流场的影响,并对其作用机理进行了分析。结果表明:叶尖凹槽对涡轮性能的影响较小,可减小叶尖泄漏流流量并提高涡轮效率。相对平顶叶片,凹槽叶片涡轮效率最大可提高0.06%。在5%～30%叶尖凹槽高度范围内,凹槽高度越大,叶尖泄漏涡强度越小,涡轮效率提升越大;在60%～90%叶尖凹槽长度范围内,叶尖凹槽长度越长,叶尖泄漏涡强度先减小后增大,效率提升幅度也是先增大后减小。     

搅拌反应器大涡模拟方法研究

大涡模拟方法是介于传统雷诺平均方法和直接数值模拟方法之间的一种数值计算方法,其基本思想是通过滤波把流场中所有变量分成大尺度和小尺度量,对大尺度量进行直接求解,小尺度量采用亚格子模型进行模化处理.综述了近年来大涡模拟方法在搅拌反应器领域的研究进展,主要包括大涡模拟的数值方法、亚格子模型、桨叶旋转运动的处理技术及其在湍流特性、宏观不稳定、混合时间及多相流等方面的具体运用.阐明了大涡模拟方法较传统雷诺平均方法的优势,指出大涡模拟今后研究的重点方向为搅拌反应器内复杂多相流体系.     

甲醇蒸发喷雾的非线性大涡模拟

在使用拉格朗日-欧拉方法模拟柴油喷雾的框架下,Kelvin-HelmholtzRayleigh-Taylor(KH-RT)破碎模型是使用最广泛的预测喷雾液滴一次和二次破碎过程的模型。破碎产生的液滴喷雾特性由燃料性质(密度、粘性、表面张力等)及数个可以调整的KH-RT模型参数(B1、C子、CRT等)决定。本研究的目的是在使用梯度结构模型的甲醇蒸发喷雾大涡模拟中探究KH-RT模型参数对模拟结果的影响。研究表明,模型参数的调整对甲醇蒸发喷雾的贯穿距有一定影响,对喷雾的质量分数及索特平均直径影响较大。通过与实验的对照,本研究给出了能够准确地模拟甲醇蒸发喷雾的模型参数范围(其中B1可取80,CRT可取0.4-0.8,C子可取9)。但也揭示了KH-RT模型的准确性过于依赖模型参数数值的缺陷。     

阀座及泄漏（2）

欲使阀门密封，足够大的阀座和阀瓣接触压力是必要的。若直接增加阀杆轴向力不宜采用的话，那么缩小其中一个密封面的宽度是一种可能的方法。锥面接触是另一种增加阀杆轴向力效果的方法，对此必须仔细地设计，否则，闸板有可能楔死在阀座里，这样的一些情况多     

基于大涡模拟的风力机尾流特性研究

耦合大涡模拟(Large-Eddy Simulation,LES)与致动线方法(Actuator Line Method,ALM),对均匀入流下的水平轴风力机作数值模拟研究,探究三种亚格子(Subgrid-Scale,SGS)模型下风力机的尾流特性.结果 表明:雷诺应力与湍流切应力在叶尖涡与叶根涡区有明显的最大值与极大...     

轴流式通风机离散噪声的大涡模拟研究

采用计算流体动力学(CFD)和计算声学(CAA)相结合的方法,对轴流式通风机的离散噪声进行了数值模拟。在定常流动数值计算的基础上,利用宽频声源模型确定了轴流风机主要气动噪声源的位置;采用大涡模拟(LES)方法结合FW-H声学模型,模拟了轴流风机的离散噪声分布。研究结果可为低噪声轴流风机参数优化和结构设计提供参考。     

高抗气蚀离心泵内流场数值模拟研究（英文）

本文以同一工况下具有相同进出口尺寸的离心泵模型为对象,基于数值模拟的方法研究了子午面轮廓和长短叶片对离心泵的气蚀性能和水力性能影响。遵循抗空化设计准则提出有别于普通离心泵的三种高抗气蚀离心泵,其一具有驼峰型过水断面曲线,最大值在叶片前缘处以降低前缘冲击损失,减少空化影响。其二采用诱导轮叶轮一体化设计,安置分流叶片,长叶片在进口处螺旋形前伸,提前做功,使低压点前移。其三结合以上两种设计手段综合提高抗气蚀性能。采用多相流CFD模型预测三种模型泵在设计工况下的气蚀性能叶片载荷与气液两相分布间,并在无量纲空化数下分析了其气蚀性能。结果显示进口延长的螺旋形长叶片形成了类似诱导轮的效果,降低了整个叶轮对空化影响的敏感性。另一方面,单纯地扩展子午面流道虽然可以显著提高扬程与空化性能,但是却对整体效率产生了不利影响。     

前、后加载低压涡轮高升力叶型流动损失机理大涡模拟研究

高升力叶型设计是当代民机低压涡轮的重要发展方向之一。通过二维大涡模拟研究了在尾迹扫掠条件下前、后加载两套叶型的吸力面边界层流动特征和损失特性,结果表明后加载的高升力叶型在尾迹扫掠下具有更优的气动性能。     

用同步数据采集法读取电子显微镜的模拟图像（英文）

本项目对老式电子显微镜翻新,使其拥有强大的图像处理能力,同时还介绍了模拟图像的数字化采集和处理的方法。将NI PCI-6259多用途数据采集卡与电子显微镜的模拟显示电路相连,把原来用光栅扫描法传送到模拟显示器的信号输入到PCI-6259的数据缓冲区中; 2路输出通道分别扫描显示电路的横纵坐标, 1路输入通道采集各坐标点的亮度信号,数据采集卡的2路输出通道与1路输入通道工作在同步方式下,以实现对模拟图像的最快速数字采集。数字图像采集之后,就立即显示并自动存储在硬盘中。文章详细描述了硬件连接与软件设计,是快速同步数据采集、虚拟仪器的高级应用和用LabVIEW结构化地设计底层驱动程序的良好范例。