三级风扇数值优化及二维翼型失速流动和雷诺数影响研究

论文摘要

本文对某三级风扇进行数值优化,以提高其气动性能。为充分反映叶排间的相互作用,优化过程在全三级环境中完成。原叶型的流场计算结果显示,第二级静叶根部通道涡的存在及其诱发的第二、三级静叶吸力面根部分离,限制了风扇性能的进一步提高。本文针对流场分析结果,运用弯掠叶片技术,通过改变叶片沿周向、轴向的积叠规律对第二、三级静叶实施优化,并借助NUMECA软件的Design3D软件包参数寻优。优化结果表明,第二级静叶采用适当的弯叶型或第三级静叶采用适当的掠叶型都可以使三级风扇的整体性能得到改善,但在性能改善的程度和作用机制上存在差异。流场分析表明,多级环境中弯或掠叶片都可以通过改变沿径向密流分布对其它叶排施加影响,都能借助低能流体迁移控制端壁流动,但掠叶片同时具有对主流的迁移作用,这就使得掠叶片对沿径向密流分布的影响要大于弯叶片;随转速下降,弯叶片的流体迁移作用被增强,掠则相反。此外发现,在多级环境中分别优化获得的弯、掠叶片,组合应用后并未能获得双重的性能收益。在973项目资助下,本文还进行了二维翼型失速流动和雷诺数影响的数值研究。k-ωSST湍流模型与单方程的SA模型被结合使用,以适应大攻角范围翼型绕流的数值模拟。计算结果显示:随攻角增大,上翼面由尾缘分离涡过渡到前后缘交替脱落分离涡后,分离涡对下翼面压力分布有较大影响。来流攻角的继续增大会使这种影响减至很小,而前后缘分离涡的脱落时间间隔增大。雷诺数变化主要影响上翼面前后缘出现交替脱落分离涡时的攻角区域,且雷诺数越大,雷诺数变化引起的升阻系数变化越小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 提高压气机性能技术的进展
• 1.1.2 叶片弯掠技术的发展和应用
• 1.1.3 三维流场数值模拟技术在压气机研究设计中的应用
• 1.1.4 压气机数值优化技术的应用
• 1.1.5 非并网风力发电系统与风力机翼型气动性能数值分析方法研究
• 1.2 研究目的与研究内容
• 1.2.1 研究目的
• 1.2.2 研究内容
• 第二章 三级风扇性能计算
• 2.1 三级风扇简介
• 2.2 数值模拟软件NUMECA 简介
• 2.3 网格划分及流场设置
• 2.3.1 湍流模型选择
• 2.3.2 网格生成
• 2.3.3 计算设置
• 2.3.4 边界条件设置
• 2.4 三级风扇总体特性分析
• 2.5 流场分析
• 2.5.1 100%、97.6%设计转
• 2.5.2 90%设计转速
• 2.5.3 80%设计转速
• 2.5.4 总体分析
• 第三章 三级风扇性能优化
• 3.1 数值优化方法
• 3.2 弯掠技术在叶型优化中的运用
• 3.3 优化软件
• 3.3.1 优化软件简介
• 3.3.2 Design3D 的优化实现过程
• 3.4 二级静叶优化
• 3.4.1 叶型拟合
• 3.4.2 优化设计可变参数
• 3.4.3 数据库生成与优化
• 3.4.4 优化工况点的选择
• 3.5 第三级静叶优化
• 第四章 叶型优化结果分析
• 4.1 第二级静叶优化叶型分析
• 4.1.1 优化前后叶型对比
• 4.1.2 优化前后总体特性对比分析
• 4.1.3 优化前后流场对比分析
• 4.2 第三级静叶优化叶型分析
• 4.2.1 弯叶片优化
• 4.2.2 掠叶片优化
• 4.2.2.1 优化前后叶型对比
• 4.2.2.2 优化前后性能流场对比分析
• 第五章 叶片弯掠对多级风扇气动性能的影响
• 5.1 采用弯与掠叶型的三级风扇特性对比
• 5.2 叶片弯掠对压比效率的影响
• 5.3 叶片弯掠对稳定边界的影响
• 5.4 弯掠叶片组合使用对性能的影响
• 第六章 二维翼型失速流动与雷诺数影响研究
• 6.1 二维翼型绕流的数值模拟
• 6.1.1 网格划分与数值计算设置
• 6.1.2 计算结果分析
• 6.2 雷诺数对二维翼型流动的影响
• 第七章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文