基于SPOD方法的压气机转子叶顶区域非定常流动分析

为了研究叶顶区域非定常流动特性,对跨声速轴流压气机转子NASA Rotor37在多工况下进行了三维非定常数值模拟,采用谱本征正交分解（Spectral Proper Orthogonal Decomposition,SPOD）方法从叶顶区域流场中提取出时空耦合的单频相干结构进行分析。研究结果表明：相比于常规分析方法,SPOD方法能够高效地从非定常流场中识别出流动特征,有助于揭示叶顶区域流动规律;在“小流量”工况下叶顶区域流动呈现出强的非定常性,且随着质量流率的减小叶顶区域非定常流动增强、波动范围增加、波动频率呈现出“阶跃式”下降;造成叶顶区域流场非定常周期性波动的主要原因是叶顶间隙泄漏涡破碎区的扰动以及叶顶间隙泄漏涡破碎后与主流相互作用所形成的叶尖二次涡的波动。     

间隙变化对轴流压气机转子近失速工况叶顶流场的影响研究

为研究间隙变化对轴流压气机转子近失速工况下叶顶流场结构的影响,以轴流压气机转子Rotor37为研究对象,对其叶顶流场进行定常和非定常的数值模拟。计算结果表明：随着叶顶间隙的减小,压气机的总压比和等熵效率均有所提高,稳定运行范围扩大;2倍设计间隙下,叶尖泄漏涡经激波作用后发生膨胀破碎,堵塞来流通道,诱发压气机堵塞失速;0.5倍设计间隙下,吸力面流动分离加剧,发生回流,部分回流与来流在压力面前缘上游发生干涉,进口堵塞加剧,致使部分来流从前缘溢出,导致压气机叶尖失速;不同间隙下压气机失速过程的主导因素不同,大间隙下失速由叶尖泄漏涡破碎的非定常波动引起,小间隙下失速主要由流动分离引发的周期性前缘溢流所主导。     

跨声速轴流压气机失速特性研究

为研究跨声速轴流压气机失速特性,采用节流阀门模型使跨声速轴流压气机Rotor35进入数值失速,得到了失速过程中的内部流场,捕捉到了失速团从产生到发展壮大的过程,发现失速起始于叶片顶部,逐渐向轴向、径向和周向发展,失速团绕着旋转轴以低于转子转速同方向旋转。通过对比不同时刻的流场特征,压气机进入失速时在转子的叶顶区域流场同时发生了"前缘溢流"和"尾缘回流"的现象。叶顶间隙泄漏流与叶片吸力面分离流形成的流道分离涡的不断发展扩大,最终使压气机完全失速。     

汽轮机叶顶间隙内非定常流动的数值分析

为了分析叶顶间隙泄漏涡的影响范围、运行轨迹和强度的变化规律,以某汽轮机高压级为研究对象,采用SSTκ-ω湍流模型,应用PISO算法对叶项间隙内的非定常流动进行了数值模拟．结果表明：叶顶间隙泄漏流是有规律的周期性的非定常流动,泄漏涡的影响范围、运行轨迹和强度随时间和叶顶间隙的变化而变化;泄漏流对主流的影响呈现出从弱到强、再从强到弱的周期性变化规律;叶顶间隙泄漏涡在丁／4时刻的强度和影响范围均达到最大,在T／2时刻,静叶脱落涡和动叶吸力面前部的泄漏涡混合形成新的涡系,而动叶吸力面后部的泄漏涡却与其边界层的脱涡混合,离开吸力面．     

小流量工况汽轮机末级流动不稳定数值研究

针对汽轮机低压末级在小负荷工况下出现的流动不稳定现象,进行了非定常数值模拟研究和分析。对末三级叶片耦合排气缸进行建模,其中末级采用整圈形式,对17%设计质量流量工况进行非定常计算,小流量工况下汽轮机末级表现出类似于压气机旋转失速的现象,对流场监控数据进行周向模态分解及相关分析,确定了扰动的数目为30个,其周向传播速度约为转子转速的56%。最后,结合内部流动特征对非稳定现象的形成机理进行了探讨,小流量下由于径向流动阻塞了通道,并在叶顶间隙射流的作用下形成了通道内的周期性高压区,而前缘溢流和叶顶间隙射流耦合作用促成了叶顶进口附近周期性低压区的形成。     

轴向间距对两级轴流风机失速先兆的影响机制

基于节流阀函数以及SSTk-ω湍流模型,对某电站两级动叶可调式轴流风机的非定常失稳过程进行数值模拟,分析了3种轴向间距对风机失速先兆起始位置、表现形式以及失速三维非定常演化过程的影响机制.结果表明:风机稳定运行范围随着轴向间距的缩短得到拓宽;不同轴向间距下,第二级动叶内首先出现失速先兆,且失速先兆表现形式相同,均为突尖型;轴向间距增大时,失速先兆从第二级动叶传播至第一级动叶所用时间增加;轴向间距对叶顶间隙分离涡的产生具有重要影响,轴向间距较小时,分离涡主要由相邻流道的泄漏流绕过尾缘附近反向流入流道并与主流相互作用形成,轴向间距较大时分离涡的形成主要与叶顶间隙的泄漏流有关.     

跨音速轴流压气机间隙泄漏流流动特性研究

间隙泄漏流对轴流压气机的旋转失速造成严重影响,通过对跨音速压气机 NASA 转子 37 进行单通道非定常及多通道非定常数值模拟,单通道非定常计算揭示,在近失速工况下,叶项存在间隙泄漏流自身非定常性,并且比较了两个不同背压条件下的非定常模拟结果,当出口背压较大的情况下,间隙泄漏流非定常性很不稳定,而当出口背压较小时,泄漏流非定常性稳定;多通道非定常数值模拟结果显示,在近失速工况下,当出口背压较大的情况下,间隙泄漏流非定常振荡,触发突尖型旋转失速先兆,具体表现为叶尖前缘间隙泄漏流溢出,而当出口背压较小的情况下,间隙泄漏流非定常性始终较为稳定.     

斜流工况下喷水推进器叶轮空化特性的数值研究

针对喷水推进器斜流工况时叶轮内部的空化问题,采用SST k-ω湍流模型和Zwart空化模型,对不同斜流角下的喷水推进器流场特性进行了数值模拟,获得了斜流角对喷水推进器水力性能、叶片表面空泡分布以及叶顶间隙区空化分布等方面的影响特性。结果表明：斜流角〖JP2〗从0°逐渐增大至40°时,推进泵的质量流量、扬程增加,效率则递减,约减小了3%;随着斜流角增大,依次影响多个叶片表面的空化分布,叶片表面空化区域从吸力面进口边向出口处不断发展;叶顶尖隙内的泄漏流、叶顶泄漏涡及卷吸区的空化范围随斜流角的增大不断扩展,并发生相互干涉和混合,最后叶顶区空化趋于稳定状态;随着斜流角的增大,叶顶进口附近处的空化和涡量分布发展规律具有相似性。     

离心压气机轮缘压力及间隙泄漏非轴对称现象研究

蜗壳通常被设计成螺旋状结构,其几何结构的周向不对称诱发蜗壳内部流场周向分布不均匀现象,会对压气机内部流场造成显著影响.采用试验和数值结合的方法,对两种流量工况下离心压气机内部的非轴对称流动特性进行研究.结果表明:压气机轮缘静压在周向上的分布具有与蜗壳内部相同特征的非轴对称形式;下游流场畸变在向上游逆向传播过程中对上游的影响逐渐减弱;叶轮出口轮缘周向的高压区传播至叶轮进口时,与叶轮出口高压区的周向位置存在相位差.在不同流量工况下,轮缘周向静压分布不均导致叶顶间隙泄漏流在周向的分布存在差异.在小流量工况下,泄漏流量呈现先减小后增大再减小的波动分布;在大流量工况下,泄漏流量呈现先增大后持续减小分布.     

叶顶微射流对小型高负荷离心压气机性能及流场结构的影响

以某小型高速离心压气机为研究对象,采用数值方法研究了微射流对压气机性能和叶轮叶顶流场结构的影响。研究结果表明：射流为1%设计流量时,失速裕度能够提高3.12%,稳定工作范围拓宽28.17%;在设计点,原型离心压气机叶顶来流马赫数达1.8以上,叶顶存在复杂激波/间隙泄漏流干扰,工作稳定性较差,微射流改变了“λ”状的激波结构,使前缘激波的强度减弱,后掠角度减小,并且降低了叶顶的负荷水平;微射流能够抑制间隙泄漏流的周向运动,并削弱激波/间隙泄漏流之间的相互作用,间隙泄漏涡不易发生破裂、溃散,极大增强了压气机工作的稳定性。     

周向弯曲方向对NACA65翼型轴流叶轮叶顶间隙流动影响

本研究采用三维气动设计方法设计了具有NACA65-810翼型的直叶轮、周向前弯和周向后弯叶轮,并采用计算流体力学软件模拟其气动性能,分析了压力峰值工况和设计工况下3个叶轮叶顶泄漏流和泄漏涡的空间发展和叶顶间隙部分静压损失以及熵分布。结果表明:直叶轮引入周向前弯后,叶顶泄漏流的卷吸能力降低,泄漏涡起源位置向远离叶片前缘的方向迁移,泄漏涡涡心径向高度得到了保持,降低了叶顶泄漏涡与主流的干涉作用;引入周向后弯后,泄漏流的卷吸能力增强,泄漏涡的起源位置向靠近叶片前缘的方向迁移,远离叶片前缘的涡心径向高度显著降低,涡核下游弥散范围扩大,增强了叶顶泄漏流与主流的干涉作用,不利于降低叶顶泄漏损失。     

基于动力学模态分解法的轴流压气机叶顶非定常流动分析

对跨声速轴流压气机转子进行非定常数值模拟,采用动力学模态分解法对叶顶区域的非定常流动进行模态分析,进一步认识叶顶区域流场的非定常流动机理.研究发现:动力学模态分解法捕捉到叶顶区域非定常流场的特征频率6.83kHz,对应模态是形成叶顶区域流场非定常波动的主要模态.各阶模态中低阶模态结构主要集中在叶片前缘,表征大尺度的压力...     

抑制叶顶间隙泄漏的叶轮机械叶片的流场模拟

根据叶顶间隙流对叶轮机械的性能有重要影响这一特性,设计了一种叶片.该叶片顶部带有"燕尾冠",在叶顶的压力侧和吸力侧都形成"倒钩".通过对带有"燕尾冠"的叶片和一般的叶片的流场进行数值模拟,在同等条件下比较两者之间压气机的总体性能、流场特性以及叶顶间隙的泄漏量的区别,得到优化设计后的"燕尾冠"叶片能较好的保持住叶片表面的压力,削弱了叶顶间隙泄漏涡的产生和减少了通过叶顶间隙的泄漏量.数据结论为改进和提高叶轮机械的运转性能提供参考依据.     

叶尖自发射流条件下涡轮非定常流动的数值模拟

为分析自发射流条件下非定常尾迹对叶顶间隙流动、S1流面和S2流面上流场参数、叶尖泄漏比和动叶载荷变化的影响,采用数值模拟方法,以Durham叶栅为原型,将动、静叶栅流场通过滑移网格技术耦合,开展非定常计算。结果表明:在静叶非定常尾迹的影响下,转子区域流场内的流动、叶尖间隙泄漏比及叶片周向载荷均呈现出周期性变化的特征;考虑非定常效应和端壁相对运动效应,相较于无叶尖射流,单孔叶尖自发射流可使泄漏比降低4.57%,比定常计算预测的泄漏比低3.43%,表明要想准确获得叶尖射流条件下的叶栅流动特性和叶尖泄漏抑制效果,其间的非定常效应不可忽略。     

考虑叶顶泄漏的透平级非定常气动性能研究

针对存在动叶顶部间隙泄漏流的一级半透平级非定常流场,应用全三维黏性非定常数值模拟方法详细研究了动叶顶部间隙泄漏流气动特性,旨在揭示泄漏流与下游静叶栅的非定常干涉作用.结果表明：动叶顶部间隙泄漏流引发第二列静叶前缘85%叶展位置处静压波动;受相邻叶排间势干涉作用,第二列静叶50%叶展位置处的静压波动集中于流道中部;在第二列静叶出口截面,动叶顶部泄漏流引发的泄漏涡,其强度及空间分布并未随时间发生明显变化;汽封内的泄漏流静压随时间周期性波动,压力值的更新首先出现于下游并朝向上游流发展.     

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。     

水泵水轮机在水轮机工况下转轮内不稳定流动及其演化

为了揭示水泵水轮机水轮机工况转轮内的不稳定流动及其演化过程,以模型混流式水泵水轮机为研究对象,对选定导叶开度下水轮机S特性区附近工况进行数值模拟研究,捕捉该开度下的转轮内不稳定流动并进一步揭示其产生机理。结果表明：沿等开度线,转轮内部出现了非定常涡以及旋转失速。其中,旋转失速表现出稳定的周期性特征,失速团造成通道严重阻塞,并以亚同步转速在叶片通道内传播。进一步分析表明,旋转失速由转轮内的非定常涡发展而来,涡结构发展造成的部分叶片通道阻塞促使了这一转化过程。     

零间隙压气机失稳机理的全通道数值模拟研究

为了探究零间隙压气机流动失稳机理,采用全通道非定常数值模拟方法研究了一台零间隙斜流压气 机转子的失稳机理,数值模拟过程中在转子出口施加了随时间动态变化的背压模拟压气机转子节流,非定常 数值计算结果表明零间隙斜流压气机转子仍然表现为典型突尖流动失稳特征。通过详细地分析斜流压气机 转子节流过程中不同阀系数对应的压气机内部流场结构,结果表明:尽管零间隙斜流压气机无叶顶泄漏特 征,但随着对压气机节流,转子叶片尾缘率先出现流动分离,进一步节流,尾缘流动分离表现为一方面在周向 范围加剧,另一方面分离点逐渐向上游移动,造成通道严重堵塞,最终引发相邻叶片通道尾缘回流和叶片前 缘流动溢出进而诱发叶片通道内部出现径向涡结构,从而形成压气机突尖失速先兆。     

叶片的周向前弯角度对低压轴流风扇叶顶泄漏流场的影响

基于4个具有不同周向前弯角度叶片(前弯1.27°,6.1°,8.3°,12°)的低压轴流风扇,对叶顶泄漏流场进行了实验和数值模拟.利用雷诺平均N-S方程组加S-A一方程湍流模型对叶轮在稳定工况点处进行了三维粘性流场的数值计算,分析了叶顶处叶片表面压力的轴向分布,计算结果表明:随着叶片周向前弯角度的增加,叶顶泄漏涡的初始位置逐渐向叶片后缘移动.利用粒子图像测速仪(PIV)系统对叶轮的叶顶泄漏流场进行了实验测量,清晰地展示叶顶泄漏涡的发展过程,结果显示:随着叶片周向前弯角度的增加,叶顶泄漏涡的轴向位移"先减小后增大",周向位移"先增大后减小".     

端壁运动对自发射流抑制叶尖泄漏影响的数值研究

通过数值手段分析了端壁运动对带有叶尖自发射流的叶栅流场特性、叶顶间隙泄漏流量特性及叶片周向载荷分布特性的影响。结果表明:端壁运动的反向刮削作用会显著影响间隙附近流场,随着端壁运动速度增大,泄漏涡和上通道涡会逐渐向叶片吸力面靠近,同时,泄漏涡强度逐渐削弱,而上通道涡强度逐渐增强,平均总压损失增大;端壁运动对叶尖自发射流抑制泄漏流的效果有放大作用;端壁运动会显著改变叶尖吸力面附近静压系数的分布,使其具有后加载的特性。