跨声速压气机转子三维流场Navier-Stokes方程数值模拟

论文题目: 跨声速压气机转子三维流场Navier-Stokes方程数值模拟

论文类型: 博士论文

论文专业: 航空宇航推进理论与工程

作者: 魏玲

导师: 吴国钏

关键词: 方程,涡轮机械流场,数值计算,旋转坐标,型网格,格式

文献来源: 南京航空航天大学

发表年度: 2005

论文摘要: 本文发展了应用于旋转机械三维跨声速流场的数值求解方法。全文共分五个部分。 第一章综述了求解涡轮机械流场的 CFD 计算领域的进展,分析了计算格式和网格带来的数值粘性对计算结果的精度和收敛性的影响。 第二章推导了可以同时求解绝对坐标系下静子及旋转坐标系下转子流场的无量纲控制方程形式,从而采用同样的算法可以求解各自的流场。对方程进行曲线变换,并应用薄层近似理论对方程进行简化。 第三章阐述了求解薄层近似的控制方程的数值方法。采用时间推进技术对时间进行离散,其中对流通量用隐式算法求解,耗散通量用显式算法计算。采用有限体积法对空间进行离散,其中对流通量用 Roe 的通量差分裂方法计算,并采用了 TVD 插值方法以提高对流通量的计算精度;粘性扩散通量用中心差分格式计算。由于旋转坐标下的转子流场及绝对坐标系下的静子流场均为定常流场,网格是不动的,求解过程中可以采用当地时间步长加速解的收敛。应用牛顿迭代线化方法将离散的方程组线性化为线性方程组,采用对称的 Gauss-Seidel迭代法求解。 第四章首先对绕平板的流动进行模拟,验证 Baldwin-Lomax 的修正两层代数紊流模型计算流场粘性的能力。然后对 Turmo IIIc 静子串列叶栅粘性全三维流场进行数值模拟,并以有试验数据的 ONERA 静子平面串列叶栅作为串列叶栅计算验证算例。 第五章对 NASA Rotor67 跨声速转子进行了计算,验证算法对跨声速压气机转子的计算的可靠性。首先分析了文献中关于 NASA Rotor67 的流场的试验结果及三个典型的数值计算结果。接着应用简单的周期性 H 型网格,模拟了无叶尖间隙情况下的 NASA Rotor67 流场,并与试验进行了详细的对比。分别使用三种H 型网格,即 1)简单的周期性 H 型网格,2)与壁面正交的周期性 H 型网格,及 3)非周期性 H 型网格对最高效率点附近工况 Rotor67 单转子内部流场进行数值模拟并进行对比,从中分析网格对计算精度的影响。最后对叶尖有漏流的情况也做了一些计算,并与 Adamczyk 的结果进行了定性的比较。 第六章是全文的总结,并对今后工作做了展望。

论文目录:

摘要

Abstract

图表目录

第一章 绪论

1.1 研究背景和选题依据

1.2 计算格式研究

1.2.1 空间差分格式

1.2.2 时间差分格式

1.3 格式的精度与网格的相关性

1.4 网格质量与网格细化的作用

1.4.1 网格扭曲的影响

1.4.2 网格细化的作用

1.5 CFD工程应用

1.6 紊流模型

1.7 层流－紊流转捩问题

1.8 紊流模型的验证

1.9 程序验证

1.9.1 涡轮中的三维流动

1.9.2 压气机中的三维流动

1.10 漏流模式

1.11 NASA Rotor 67

1.12 涡轮机械中数值计算总结

1.13 本文的研究内容和方法

第二章 控制方程

2.1 绝对坐标系下的三维可压缩Navier-Stokes方程

2.1.1 绝对坐标系下三维可压缩Navier-Stokes方程矢量形式

2.1.2 绝对坐标系下三维可压缩Navier—Stokes方程的无量纲化

2.2 旋转坐标系下三维可压缩Navier－Stokes方程

2.2.1 旋转坐标系下三维Navier-Stokes方程矢量形式

2.2.2 旋转坐标系下新Navier—Stokes方程的无量纲化

2.3 两种坐标系下方程形式的统一

2.4 曲线坐标转换

2.5 薄层近似

2.6 Baldwin及Lomax紊流模型

2.7 本章小结

第三章 Navier－Stokes方程的数值求解

3.1 有限体积法

3.2 隐式算法

3.3 牛顿迭代法

3.4 对称Gauss-Seidel迭代法

3.5 Steger-Warming矢通量裂解法

3.6 数值通量

3.6.1 Roe格式与高阶精度TVD格式

3.7 加速技术

3.8 边界条件

3.8.1 进口边界条件

3.8.2 出口边界条件

3.8.3 叶片表面和上下端壁面边界条件

3.9 本章小结

第四章 平板及静子串列叶栅流场模拟算例

4.1 平板流动的计算

4.2 串列叶栅静子粘性三维流场数值模拟

4.2.1 计算网格生成

4.2.2 Turmo IIIc静子串列叶栅粘性三维流场计算及结果分析

4.2.3 ONERA静子平面串列叶栅计算

4.3 本章小结

第五章 NASA Rot0167 流场算例

5.1 NASA Rot0167 内部流场的试验研究

5.2 NASA Rot0167 内部流场的数值计算研究

5.2.1 Pierzga及Wood的研究结果

5.2.2 Chen的研究结果

5.2.3 Sheng的研究结果

5.3 本文关于NASA Rot0167 流场的计算

5.3.1 无转子叶尖间隙

5.3.2 网格对计算结果影响的研究

5.3.3 有转子叶尖漏流

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 本文主要结论

6.2 工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的主要论文

发布时间: 2005-07-08

参考文献

• [1].超音压气机转子的起动特性及内部流动组织研究[D]. 杨世豪.中国科学院工程热物理研究所2017

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