叶轮机械中若干非定常流动特征的初步研究

论文摘要

随着国内外航空航天技术和相关领域的不断发展与进步,原先建立在相对简化的定常流动假设下的研究方法和设计手段已不能满足对叶轮机械更高性能指标的要求,因此对叶轮机械中非定常问题的研究逐渐成为引人瞩目的课题。然而叶轮机械中的非定常流动是高度复杂的,其中涵盖了多种非定常因素,本文对叶轮机械中诸类非定常现象的耦合效应进行初步研究,旨在探索其中相互作用的机理,为发展成熟有效的非定常设计体系提供理论支持。 分离流动是叶轮机械中相当普遍的非定常现象。文中首先对一排压气机叶栅在非设计工况下的非定常特性进行研究,通过数值计算得到不同攻角下叶栅的非定常流场,发现在大攻角下出现大尺度涡脱落分离流动呈现接近周期性的变化。随着攻角的增大,流场的非定常性逐步增强,分离现象也益发显著。文中继而在此基础上探讨了振荡扰流对此类叶栅分离流场的影响,通过有无激励情况下叶栅非定常流场的对比,发现选择合适的激励频率、激励幅值和激励加入点,可以有效地抑制或推迟分离的产生,从而改善叶栅的气动性能。 非定常尾迹同样也是一种广泛存在于叶轮机械中的非定常现象,它的存在对下游叶片排产生了非常大的影响。本文中在一排涡轮叶栅前增加运动的圆柱,利用圆柱绕流来模拟上游静叶产生的尾迹,将其作为一种激励机制,探讨了此种非定常激励对下游叶栅的影响。研究的结果显示,选择适当的激励频率可实现对叶栅流场有效的整合,将原先的无序流动有序化,数值计算和实验的结果都分别印证了这一点。 作为叶轮机械中固有的非定常现象——动静叶干涉效应,历来成为研究领域中关注的主要热点之一。本文则把研究目光投向了非设计工况下动静叶栅相互干扰的非定常流动特性,通过分区计算的数值方法得到了大分离流动和动静叶相互干涉两种非定常现象耦合后的流场,其中上游动叶栅产生的大分离流动破坏了动静叶栅流场周期性变化的趋势,并引起了下游叶栅进口来流攻角的变化,使整个流场趋于更为复杂的非定常变化。 本文的工作中不仅探索叶轮机械中非定常现象,还对建立在定常假设下的正反问题结合的优化设计方法在非定常条件下的结果进行评估。通过对一级涡轮动

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 叶轮机械非定常流动
• 1.2.1 条件非定常问题
• 1.2.1.1 旋转失速
• 1.2.1.2 喘振
• 1.2.2 固有非定常问题
• 1.2.2.1 相邻叶排间的势干扰
• 1.2.2.2 尾迹与叶排的干扰
• 1.2.2.3 二次流叶排的干扰
• 1.3 叶轮机械非定常流动研究进展
• 1.3.1 研究方法
• 1.3.2 分离流动
• 1.3.2.1 圆柱绕流
• 1.3.2.2 叶轮机械中的非定常分离流动
• 1.3.3 动静干涉效应
• 1.3.3.1 国外研究进展
• 1.3.3.2 国内研究进展
• 1.4 本文的工作
• 第二章 非设计工况下叶栅分离流动的非定常特性
• 2.1 引言
• 2.2 数值计算方法
• 2.2.1 基本方程
• 2.2.1.1 连续方程
• 2.2.1.2 动量方程
• 2.2.1.3 能量方程
• 2.2.2 湍流模型
• 2.2.3 基本算例
• 2.2.4 计算流程
• 2.3 计算结果及分析
• 2.3.1 不同攻角下的叶栅流场
• 2.3.2 叶栅中的大分离流场
• 2.4 本章小结
• 第三章 振荡扰流对非设计工况下叶栅分离流动气动性能影响的研究
• 3.1 引言
• 3.2 数值计算方法
• 3.3 计算结果及分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 非定常尾迹对下游叶栅非定常流动气动性能影响的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验设备及测量手段
• 4.2.1 实验台
• 4.2.2 测量系统及测量方案
• 4.3 实验结果及分析
• 4.4 数值计算分析
• 4.5 计算结果及分析
• 4.5.1 孤立叶栅流场
• 4.5.2 非定常尾迹干扰下的叶栅流场
• 4.6 本章小结
• 第五章 非设计工况下动静叶相互干扰的非定常流动特性
• 5.1 引言
• 5.2 数值计算方法
• 5.2.1 边界条件
• 5.2.2 基本算例
• 5.3 计算结果及分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 动静叶栅优化改型及其性能分析
• 6.1 引言
• 6.2 数值算法
• 6.2.1 反问题优化算法
• 6.2.1.1 基本方程
• 6.2.1.2 反问题算法
• 6.2.3 基本算例
• 6.3 计算结果及分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 论文总结与展望
• 7.1 论文总结
• 7.2 研究展望
• 附录 周向槽处理机匣对轴流压气机的失速性能的影响
• 1 引言
• 2 数值计算方法
• 2.1 基本算例
• 2.2 数值模拟方法
• 3 计算结果及分析
• 4 本章小结
• 主要符号对照表
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文
• 致谢