基于二次流控制的变径倒角设计与优化

基于Langston叶栅的数值模拟结果,分析了不同半径均匀倒角模型的流动特征,综合评估了倒角半径对叶栅不同位置流动的影响,据此设计并优化了变径倒角结构。结果表明:叶栅前缘倒角半径增大使前缘分流能力增强,马蹄涡强度减小;叶栅中后部大半径倒角的采用使得二次流强度增大,叶栅出口损失增大;使用变径倒角后,马蹄涡和通道涡强度减小,沿流向的总压损失系数增长受到抑制,熵增率较低,流动效果得到改善。     

叶根变径倒角的设计与流动分析

为了研究倒角结构对流动的影响,采用数值方法对带有不同类型倒角的叶栅模型进行模拟,综合评估了各种类型倒角对于二次流结构的影响。从中优选获得较为优秀的"变径倒角结构",并详细分析了该结构对于二次流结构的影响。结果表明:选用合适的设计参数构建变径倒角能够减小前缘位置马蹄涡强度,使马蹄涡与通道涡发展受到抑制,使出口的总压损失系数下降5. 35%;变径倒角控制点位置及前缘倒角半径的选择对于流动结果有较大影响。     

叶片根部倒角对离心叶轮气动性能影响

叶轮是决定离心压气机气动性能的关键因素之一,在保持叶轮设计参数不变的条件下,调整叶根倒角的分布,对比分析叶根倒角对压气机性能的影响.利用Numeca软件对跨声速离心压气机进行全三维稳态流动数值模拟方案分为等半径倒角与变半径倒角两种.结果表明:主叶片后半弦长的倒角是决定压气机气动性能的关键性因素,尾缘倒角比前缘更敏感;根...     

某高转速汽轮机末级流场分析及通流优化

采用数值计算的方法,对某高转速汽轮机末级通流进行了流场分析,得到以下结论:叶顶区域产生了二次流及集中涡系,尤其是12级静叶叶顶区域产生了明显的通道涡、壁角涡;叶根、叶顶区域产生了明显的激波;不同攻角特征造成叶片壁面出现贯穿叶根、叶顶的流动分离,尤其是压力面流动分离使叶片入口产生负压区。通过上述分析,得到如下优化方法:确定11级静叶的最优安装角为50.5651°;增加11级叶片中径、增加11级与12级级间的轴向距离相结合的方法,以减小涡系强度。     

透平叶栅端部二次流流动损失机制研究

为了探究叶栅端部二次流动结构及损失产生机制,对低速透平叶栅气动特性进行实验测量,结合数值模拟计算对透平端部二次流动结构及损失来源进行分析,通过分析通道内部熵产率分布,研究流动结构与不可逆损失之间的关系。结果表明,在所研究工况条件下,叶栅端部的二次流动结构主要源自来流边界层在前缘及通道内的三维分离现象,分离形成以马蹄涡、壁面涡以及通道涡为主导的涡系结构。端部二次流动损失主要来源于马蹄涡两分支、壁面涡和通道涡等漩涡自身的耗散,以及马蹄涡压力面分支与壁面涡合并成为通道涡时剧烈掺混引起的耗散。研究成果可为抑制端部二次流动及损失提供参考。     

基于LES的压气机叶栅通道非定常流动结构研究

为了进一步理解压气机叶栅通道内的非定常流动结构,采用大涡模拟(LES)方法研究了来流附面层厚度和稠度变化对叶栅通道内涡系结构及总压损失系数的影响。研究表明：来流附面层增厚将导致端壁处流体的轴向动能降低,使得马蹄涡压力面分支更早地流向相邻叶片吸力面;来流附面层越厚,通道涡在叶栅尾缘沿展向抬升的高度越高,角区分离的范围也越大;叶栅的总压损失随附面层增厚而增加,附面层损失增加显著,二次流损失有所增大;稠度较低时叶栅吸力面表面存在分离,会对通道涡及角区分离产生影响;稠度增大,横向压力梯度减小,叶栅流道的速度分布更均匀,通道涡的强度和尺度减小,角区分离的范围减小;稠度增大使叶表不再分离时,总压损失显著降低,但稠度继续增大会使气流与叶片表面的摩擦损失增加。     

微型燃气轮机向心透平内部流动分析

对某2.6kW微型燃气轮机向心透平叶轮进行了全三维粘性数值模拟.分析了设计工况下通道中的二次流动现象、各个涡系的发展以及不同叶尖间隙对流动的影响.结果表明:通道内吸力面侧二次流动明显,由于通道涡、泄漏涡的共同作用,叶轮的损失主要集中于吸力面侧靠近叶顶区域;叶轮顶部间隙增加,透平叶轮通流能力下降较慢,而效率降低较快.由于刮削流的影响,使得径向间隙变化对透平效率和质量流量的影响要比轴向间隙更明显.     

正弯叶片降低叶栅内部损失的数值模拟

计算了直叶片及正弯叶片流场,计算结果表明叶片正弯曲在流道内,尤其是吸力面表面建立起“Ｃ”型静压分布,抑制了径向二次流动;而横向压力梯度的减弱将有利于减少横向流动损失。通过对涡量等值线的分析表明,正弯叶片栅中的马蹄涡及通道涡的尺度及强度均较直叶片中的小,而由能量损失系数分布图可知,采用正弯叶片可以降低叶栅内部流场中的能量损失。     

某压气机进口级流动损失及静叶流场分析

采用三维雷诺平均N-S方程求解方法,对某燃气轮机压气机进口级流动进行模拟,研究了峰值效率点及近失速点的性能及流动特性,探索叶片通道中引起高损失的原因,分析了静叶通道内复杂的流动结构及吸力面角区分离的产生机制。结果表明:当该压气机级向近失速工况推进时,静叶中的能量损失较导叶、动叶增长更快;静叶下端壁大范围低速流体是损失的主要来源;通道涡及泄漏涡是静叶通道内主要二次流,其共同作用造成大面积总压损失;近失速工况下沿流向和展向的逆压梯度增大且二次流增强,导致静叶吸力面下端壁角区分离现象的出现。     

叶根几何参数和来流参数对叶片端壁传热影响的研究

针对典型燃气透平Pack-B叶片,建立了叶片端壁传热特性的数值模型。在验证了数值模型的基础上,研究了叶根几何参数和来流参数对叶片端壁传热特性的影响。结果表明:随着叶根倒角半径的增大,叶片端壁前缘区域的传热减弱,而端壁尾缘区域的传热增强;随着叶根倒角最小角度的增大,端壁前缘区域传热略有增强,而端壁尾缘区域的传热有所减弱;来流湍流度为1%时,由于端壁区域二次流结构发生显著变化,使得其端壁前缘区域和中部区域的传热明显高于湍流度为4%、6%和10%的情况,而其他区域的传热随着来流湍流度的提高而增强;随着来流雷诺数的增大,整个端壁的传热均增强。     

扭叶片正弯对叶栅通道内二次流动影响的数值分析

以某汽轮机高压级动叶为研究对象,采用κ-ωSST模型、SIMPLEC算法数值模拟了正弯扭叶片叶顶间隙泄漏涡的形成和发展过程及其对叶栅通道二次流的影响。结果表明:相对于常规扭叶片,汽流在正弯扭叶片吸力面附近形成的泄漏涡的影响范围和对通道主流的扰动变小,且叶顶间隙的增加削弱了正弯扭叶片吸力面的"C"型压力梯度,使得叶片两端部附面层厚度增加,造成了叶片端部损失的增大。     

端壁相对运动对压气机叶栅间隙流场影响的数值模拟

压气机端壁与叶片间的相对运动是影响叶顶间隙气流流动的重要因素.采用数值模拟的方法考察了端壁运动对不同叶顶间隙压气机叶栅内三维流场的影响.结果表明:端壁相对运动改变了叶栅间隙流场结构,叶栅通道内出现向相邻叶片压力面运动的刮削泄漏涡,上通道涡及叶顶分离涡受到抑制,叶尖负荷增大,间隙泄漏流量增加,叶栅总损失由于叶顶区掺混损失减少而减少.     

三维旋转效应对风力机叶片水滴收集率的影响分析北大核心CSCD

在进行风力机结冰问题的水滴收集率计算时,三维旋转效应的作用会改变叶片周围空气和水滴的流动,从而大大改变叶片气动性能和表面水滴收集。文章以NREL Phase VI风力机为研究对象,基于欧拉两相流模型对水滴流动及表面撞击特性进行计算,并与准三维计算结果进行比较,分析三维旋转效应对水滴绕流和收集率的影响。分析结果表明:在同一展向位置,三维旋转效应的存在会增加叶片表面最大水滴收集率及吸力面的水滴撞击区域,但对压力面水滴撞击区域的影响不明显;叶片表面的展向流动会将边界层内的水滴沿展向抽出,抑制水滴相流动分离及涡的形成,弦向流动会将主流区的水滴吸入边界层内,增大边界层内水滴的体积分数;三维旋转效应对水滴相流动及水滴收集率的影响在叶根附近较大,沿叶片展向方向的影响逐渐减弱。     

非设计工况下涡轮叶栅前缘壁角的作用

透平叶栅端区二次流具有复杂的涡系结构。Langston实验描述了两支马蹄涡和通道涡的演变和发展过程。基于Langston叶型构造出有效的前缘壁角,建立涡轮叶栅带有前缘壁角的端壁流动计算模型,分析前缘壁角对端壁流动与传热特性的影响,并评估其在非设计条件下的适应性。结果表明:在一定的非设计工况范围内,前缘壁角削弱了前缘马蹄涡和通道涡的强度,降低了流道内部的气动损失,增加了近端壁的流动损失。有效的前缘壁角使前缘附近端壁换热水平减弱,流道端壁换热整体减弱,端壁高换热区沿流向下移,尾缘附近换热有所增加。在一定的非设计工况范围内,前缘壁角都是有效的。     

叶片前缘不同后掠角对离心压气机气动性能的影响

采用全三维气动设计技术,设计了4种具有掠角叶片和带翼型叶片扩压器的涡轮增压跨音速离心压气机,并采用数值模拟手段研究了叶片前缘不同后掠角对压气机内部工质流动的影响。研究结果表明:主叶片前缘不同后掠角会使压气机堵塞流量(堵塞工况下的工质流量)增加,提高压气机流通能力,同时,可以有效改善通道内低能流团的分布;但由于主叶片轴向弦长缩短,会造成喘振裕度的减少,以及主叶片前缘脱体激波角增大和槽道激波的增强;对截面二次流分析结果表明:叶片前缘的后掠角对二次流的影响主要表现在叶轮进口附近,对出口影响不大。对比不同前缘后掠角压气机内部流动情况发现,掠角越小,叶片叶顶负荷越小,叶片表面压差也越小,流动越稳定;掠角越大,虽然叶轮通道上游产生的激波越强烈,但是可以明显改善通道下游气流流动情况。     

叶片根部改型对风力机性能影响的研究

为研究叶片根部改型对风力机性能的影响,采用SST k-ε湍流模型对改型前后的风力机叶片进行三维流场数值模拟研究。通过分析叶根区域流场和压力分布可知:根部改型可改善叶根区域的流动形态,减小叶根的失速分离区,能有效控制分离涡的发生位置,提升叶根的气动效率;根部改型可改变叶根区域叶片表面的压力分布,加大叶根部位上下面压差,从而提高叶根转矩,使风力机出力增加;根部改型后,风力机的功率最大提升2.13%,增幅明显。     

1,5级变几何涡轮非定常流动特性研究

可转导叶由于端部间隙和转轴的存在,会产生复杂的二次流动。本文对LISA涡轮进行变几何改型,采用几何约化法对该1.5级变几何涡轮进行数值模拟,详细探究了可转导叶间隙高度对可转导叶（S1）涡系的流动细节和载荷的影响,并深入研究其非定常流动对下游叶排的干涉及二次流输运过程的影响。计算结果表明：泄漏涡（LV）、角涡（CV）和通道涡（PV）共同组成了可转导叶的涡系;可转导叶端部间隙高度影响流动损失和级效率大小,设计间隙下该变几何涡轮S1时均总压损失系数Y为10.32%,涡轮时均总总效率ηtt为82.26%;可转导叶的尾缘泄漏涡使第1级动叶（R1）流动产生强非定常性;可转导叶的尾缘泄漏涡和R1泄漏涡、壁面涡是造成第2级静叶（S2）流动非定常性的主要因素。     

叶根倒角对轴流压气机转子两端区流动结构的影响研究

为了揭示叶根倒角对跨音速转子的气动性能影响规律,以NASA的Rotor67转子为研究对象,采用数值方法研究了叶根倒角对跨音速轴流压气机角区分离和工作裕度的影响机制。结果表明：叶根倒角的引入改善了叶片倒角区前缘附近的来流攻角适应性及该区域的叶型几何曲率分布特征,进而提升叶根吸力面的抗分离能力。带有倒角结构的转子叶片在其叶根倒角未覆盖区的叶型中后段周向压力梯度大于原型叶片,有利于克服气流沿吸力面流动时产生的离心力,进而抑制了尾缘附近的分离现象,使得该区域效率提升了3.9%以上。倒角的存在借助于径向平衡约束,重塑了叶尖区域的沿程叶表静压分布,并减小了尖区的入口轴向速度,直接导致叶尖区域主流流体的通流能力明显削弱,并诱发相对更强的间隙泄漏流,从而使得跨音转子提前发生失速,压气机工作裕度降低了19%以上。     

透平叶栅非轴对称端壁优化目标比较

基于双控制曲线和改进的Kriging代理模型建立了非轴对称端壁优化设计系统.以Durham叶栅的端壁优化为例,研究不同优化目标对优化结果的影响.研究表明:在通道涡形成段减小横向压力梯度可以有效抑制通道涡强度,进而减小流动损失;在通道涡发展段减小横向压力梯度有助于降低主流区二次流损失,但端区损失明显增大;增加横向压力梯度...     

涡流发生器对潮流能水轮机叶片流动分离特性影响研究

当来流速度过大或在大攻角来流工况下,潮流能水轮机叶片边界层会发生流动分离,导致获能效率降低,甚至会使叶片发生失速破坏。针对上述问题,该文将涡流发生器（VGs）理论与水轮机叶片设计相结合,开展VGs对潮流能水轮机叶片流动分离现象的抑制机理研究。以NACA63418翼型设计的潮流能水轮机叶片为研究对象,分别建立带和不带VGs的叶片三维模型,应用CFD方法研究VGs对潮流能水轮机叶片的流动分离特性影响。结果表明：水轮机叶片流动分离主要发生在吸力侧表面叶根部分,随着流速的增大会沿叶根向叶尖径向扩展;VGs能有效减小水轮机叶片吸力侧表面分离区域,抑制流动分离现象发生;在该研究中,安装VGs后水轮机叶片整体获能性能提升明显,获能系数增加0.5%~5.0%,且能增加潮流能水轮机运行稳定性。