核心机驱动风扇级转子叶尖流动结构和机理的研究

为了探究核心机驱动风扇级不同工作模式下转子叶尖流动结构和机理,对某核心机驱动风扇级转子流场进行了三维定常数值模拟,分析了单外涵模式和双外涵模式下工作点及近失速点转子叶尖流场结构特点,并研究了不同叶尖间隙对核心机驱动风扇级性能的影响。结果表明:单外涵模式与双外涵模式设计点叶尖泄漏涡起始位置不同;单外涵模式转子叶尖存在贯穿流道的正激波,双外涵模式该正激波消失;泄漏涡经过转子叶尖超声速区域会形成低速带;单外涵模式时泄漏涡经过正激波后发生扩散,并使正激波出现"缺口";转子叶尖间隙大小对核心机驱动风扇级两种工作模式下的流量、压比和等熵效率影响均较小,间隙增大到一定程度后稳定裕度下降剧烈。     

跨音速涡轮定常与非定常叶尖泄漏流机理分析

针对格拉兹大学单级跨音涡轮流场进行数值模拟并分析其叶尖泄漏涡结构与非定常影响机理.结果表明:泄漏涡于破碎前为类Rankine涡结构,破碎后卷吸入间隙流体,同时受涡核卷吸而围绕其运动的部分间隙流与主流掺混,形成高剪切流区域,形成类Sullivan涡结构的亚临界状态.非定常尾迹含有的流向涡量与叶尖泄漏涡-刮削涡涡对相互作用...     

轴流风机叶尖泄漏流动的大涡模拟（英文）

本文采用大涡模拟(LES)的方法研究了在基于外壳直径的雷诺数为9.36×105条件下5叶片的轴流式风扇的流动特性,并且着重分析了叶尖泄漏的流动现象。本文使用了基于有限体积法和分层笛卡尔网格的可压流求解器进行数值计算,并应用了体积守恒的切割网格方法处理风扇几何结构的浸入式边界。同时开发了用于笛卡尔网格的旋转周期性边界条件,这样只需分析由2.5亿网格构造的包含一片叶片的72°区域。该研究首先对网格质量进行了分析,之后讨论了瞬态和时均流场的特性,并与使用RANS的5叶片模拟结果进行了对比。RANS和LES模拟结果的主要不同之处体现在叶尖泄漏涡尾流中的湍流动能。本文进而研究了叶尖间隙对叶尖泄漏涡的影响。研究表明,间隙的大小会影响叶尖泄漏涡的大小形状。此外,间隙中更多的分离现象和反向旋转涡会导致较低的湍流动能。     

跨音速压气机转子叶尖间隙流场特性研究

为了分析跨音速转子叶尖间隙高度对转子叶尖流场的影响,以某轴流压气机跨音级为研究对象,采用全三维数值模拟方法,探讨了设计点和近失速工况下叶尖泄漏涡与激波的相互作用现象及不同的间隙条件下叶尖泄漏涡的演化、发展规律.计算结果表明,与设计点相比,近失速工况下间隙泄漏涡在流场中的位置及其与叶片弦长的夹角基本不变,但其对激波的影响...     

进口总压畸变对压气机性能及流场影响的机理研究

采用全三维非定常数值方法研究进口周向总压畸变对轴流压气机转子性能及内部流场的影响,数值结果表明进口周向总压畸变后不仅降低压气机的稳定裕度,也使压气机等熵效率减少。通过详细地分析压气机内部流场,揭示了进口周向总压畸变对该压气机转子性能及流场影响的机理,即进口周向总压畸变后,明显降低50%～100%叶展内的气流进气角。同时增强产生叶尖泄漏运动的驱动力,提前使叶顶间隙泄漏涡涡核破碎,造成高的堵塞,最终触发压气机失速。     

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。     

自循环机匣处理喷气位置对压气机性能的影响

为了揭示自循环机匣处理对Stage 37气动性能的影响机理，利用数值模拟方法研究了不同喷气位置对压气机气动性能的影响。在设计转速时，分析了不同喷气位置的自循环机匣处理装置的叶尖流场，探讨了自循环机匣处理的扩稳机理。数值模拟结果显示：不同喷气位置的自循环机匣处理在略微降低压气机效率的情况下，能够分别扩大2.96%，2.72%，2.83%，2.6%的失速裕度；设计转速时，Stage 37中转子叶尖区激波/叶尖泄漏涡相互干涉以及泄漏涡破裂后产生的阻塞区，是影响Stage 37压气机内部流动失稳的关键因素。自循环机匣处理的扩稳机制主要在于利用高速喷气抑制叶尖泄漏涡的破碎程度，减小叶尖阻塞区面积，进而提高压气机的失速裕度。     

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。     

旋转式压力能交换器密封端面液膜压力和泄漏量的数值模拟

旋转式压力能交换器是利用正位移原理进行流体压力能利用的装置.为全面了解其端面密封特性,基于N-S方程和SIMPLEC算法,在不同端面间隙和流量下,对密封端面流场进行了数值模拟,考察了密封压力和端面泄漏的变化情况.结果表明:转子转速对端面泄漏量没有影响,端面间隙内的流动为层流时,可以获得较为稳定的液膜压力;端面密封性能随着间隙的增加迅速恶化,当间隙超过0.03 mm后,即丧失密封能力.     

新型涡流槽密封泄漏特性与动力特性研究

提出一种密封入口周向均匀设置有涡流槽的新型密封结构,建立了传统迷宫密封与新型涡流槽密封泄漏特性及动力特性求解模型,在实验验证数值计算方法准确性的基础上,通过比较分析了传统迷宫密封与新型涡流槽密封在不同进出口压比、预旋比工况下的泄漏特性与动力特性,研究了新型涡流槽结构对密封泄漏特性及动力特性的影响机理。研究结果表明：随着涡流槽数量的增加,涡流槽密封的泄漏量逐渐降低;在同一压比下,不同涡流槽数新型密封的泄漏量之间差值随着压比的增大而增大。当压比为6时,64涡流槽的新型密封较传统迷宫密封,泄漏量下降了3.37%;在高预旋比的工况下,不同涡流槽数量密封的切向气流力均与转子涡动方向相反,起到抑制转子涡动的作用,且随着涡流槽数量的增加,切向气流力也随着增大;随着转子涡动频率的增大,三种不同涡流槽数量密封的交叉刚度先减小到负值然后增大到正值。涡流槽密封的有效阻尼均高于传统迷宫密封,新型涡流槽密封可以提高转子系统的稳定性。     

汽轮机叶顶汽封间隙泄漏涡动特性研究

采用三维非定常数值模拟的方法,研究叶顶汽封间隙泄漏涡的结构和涡动频谱特性,并分析汽封各腔室内涡核中心点的径向高度随间隙的变化规律。结果表明:汽轮机叶顶汽封腔室内存在腔室涡和围带壁面涡2种稳定耗散的涡;随着叶顶间隙高度的增加,围带壁面涡涡核的径向高度降低,而腔室涡涡核的径向高度升高;从汽封的入口到出口,腔室涡的涡动随流动变得剧烈,频率增加,波动的幅度变大;围带壁面涡的涡动会在不同腔室内交替变换,齿前的围带壁面涡产生的压力波动最为剧烈,是汽封腔室内最不稳定的一类涡动。     

汽轮机叶顶间隙汽封内泄漏流动的数值研究

采用计算流体动力学软件分析某汽轮机高压级叶顶汽封内的泄漏流动特性及泄漏流在级后与主流的掺混过程,并比较有无汽封情况下间隙流场的气动性能。结果表明:汽封间隙内充满复杂的涡运动,使泄漏流的动能得到充分的耗散,且齿数增加可使耗散更加充分;增加叶顶汽封装置可有效降低级后间隙泄漏流与主流的掺混损失,增加汽封齿数能够在一定程度上削弱级后掺混带来的流动影响。     

密封齿对侧开槽对迷宫密封泄漏特性的影响

为了降低迷宫密封的泄漏量,提出一种在直通型迷宫密封的密封齿前端和后端设立凹槽的密封结构,基于CFD方法,建立迷宫密封数值仿真模型。通过与已有试验数据的对比,验证模型的正确性。探讨不同湍流模型的适用范围,并对比光滑表面、前置凹槽、后置凹槽3种结构在泄漏量、轴向压降及流场速度分布的差异性。结果表明:SST湍流模型更加适用于迷宫密封这种窄间隙的近壁面流动;前置凹槽结构降低泄漏量的效果较差,只有在高压力差下才能降低泄漏量;后置凹槽结构能改变迷宫密封腔内漩涡方向及状态,进而降低迷宫密封透气效应,加剧密封的能量耗散的同时降低泄漏量。因此,后置凹槽的迷宫密封结构具有较好的工程应用前景。     

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。     

EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF TIP CLEARANCE FLOW FOR AN AXIAL FLOW FAN ROTOR

The flow field in the tip region of an axial ventilation fan is investigated with a particle image velocimeter (PIV) system at the design condition. Flow fields with three different tip clearances are surveyed on three different circumferential planes, respectively. The phase-locked average method is used to investigate the generation and the development of a tip leakage vortex. The result from PIV system is compared with that from a particle dynamics anemometer(PDA) system. Both data are in good agreement and the structure of the tip leakage vortex for the rotor is illustrated. The characteristic of a leakage vortex is described in both velocity vectors and vortical contours. The unsteadiness of the leakage vortex and the position of the vortex are surveyed in detail, which interprets the discrepancy between the numerical simulation and PDA experimental results to a certain extent. The center loci of tip leakage vortex at different times and the mean center loci of the leakage vortex are displayed particularly. Finally, the trajectories of the tip leakage vortex by the experimental measurement are compared with predictions from the existing models for high speed and high-pressure compressors and turbines when appropriately interpreted. A good agreement is obtained.     

COMPUTATIONAL AND EXPERI- MENTAL STUDY ON TIP LEAKAGE VORTEX OF CIRCUMFERENTIAL SKEWED BLADES

In the steady operation condition,the experiments and the numerical simulations are used to investigate the tip leakage flow fields in three low pressure axial flow fans with three kinds of circumferential skewed rotors,including the radial rotor,the forward-skewed rotor and the back-ward-skewed rotor. The three-dimensional viscous flow fields of the fans are computed. In the ex-periments,the two-dimensional plane particle image velocimetry (PIV) system is used to measure the flow fields in the tip region of three different pitchwise positions of each fan. The results show that the computational results agree well with the experimental data in the flow field of the tip region of each fan. The tip leakage vortex core segments based on method of the eigenmode analysis can dis-play clearly some characteristics of the tip leakage vortex,such as the origination position of tip leak-age vortex,the development of vortex strength,and so on. Compared with the radial rotor,the other two skewed rotors can increase the stability of the tip leakage vortex and the increment in the for-ward-skewed rotor is more than that in the backward-skewed one. Among the tip leakage vortices of the three rotors,the velocity of the vortex in the forward-skewed rotor is the highest in the circumfer-ential direction and the lowest in the axial direction.     

Tip gap flow and aerodynamic loss generation in a turbine cascade equipped with suction-side winglets

The tip gap flow and aerodynamic loss generation over a plane tip equipped with a “constant-width suction-side” (CWSS) winglet and a “varying-width suction-side” (VWSS) winglet have been investigated in a turbine cascade. For a fixed tip gap of h/c = 2.0%, three different winglet widths of w/p = 5.28, 10.55, and 15.83% are tested for the CWSS winglet. The VWSS winglet is designed based on flow visualization and has almost the same winglet area as the CWSS winglet of w/p = 15.83%. In general, the suction-side winglets have a role to increase aerodynamic loss in the tip leakage vortex region but reduce aerodynamic loss in the passage vortex region. For the CWSS winglet, the total-pressure loss coefficient mass-averaged all over the measurement plane has no appreciable changes with increasing w/p from 0.0 to 10.55%, but tends to decrease with further increment of w/p. The VWSS winglet performs better in reducing aerodynamic loss in the passage vortex region than the CWSS winglet of w/p = 15.83% but leads to a little bit higher aerodynamic loss in the tip leakage vortex region. The aerodynamic loss reduction by the VWSS winglet is 7.4% in comparison with the plane tip without winglet, and is about 60% lower than that by the widest CWSS winglet.     

间隙宽度对类迷宫密封性能的影响

类迷宫密封由于其结构的特殊性,内部流体流动也有别于迷宫密封。利用FLUENT软件分析密封间隙对类迷宫密封性能的影响,并与传统迷宫密封内部流场进行对比。结果表明：在同等尺寸条件下,类迷宫密封湍流流体流动在槽向上比迷宫密封明显,在研究类迷宫密封时槽向流动不可忽略;间隙宽度对泄漏特性影响较大,随着间隙宽度的增大,流体速度降低,节流效应减弱,泄漏量增大。