转/静交界面处理方法研究及涡轮结构与气动分析

论文摘要

本文分两部分,第一部分是转/静交界面处理方法的研究。在对叶轮机械进行数值模拟时,转/静交界面的处理是十分关键的。研究不同的交界面处理方法对计算结果的影响,对于提高叶轮机械数值模拟的精度和效率具有重大意义。过去的二十年里,国内外的学者们提出了一系列交界面的处理方法,并在CFD商用软件中得到了广泛地应用。本文研究的主要目的是,系统地比较不同交界面处理方法对计算结果的影响,为叶轮机数值模拟交界面处理方法的选择提供参考依据。为了实现上述研究目的,本文的工作从以下几个步骤展开:1)作为整个研究的理论基础,对混合面法(Mixing Plane)、冻结转子法(Frozen Rotor)、滑移面法(Sliding Plane)几种应用较为广泛的交界面处理方法进行详细的介绍。2)发挥二维数值计算速度快的优势,对某型冲压涡轮叶中截面叶栅进行数值模拟,比较不同交界面处理方法对计算结果的影响。结果表明,采用混合面处理交界面时,叶栅的气流转角和总压恢复系数都要比滑移面的要大,而且随着周向间距和相对转速的减小,两者的差异越来越大。3)对冲压涡轮进行三维数值模拟,比较不同交界面处理方法对涡轮的总体性能计算结果的影响。结果表明,不同的交界面处理方法对流量和总压比没有明显的影响,但是对效率有一定的影响。转速越低,效率的差异越大;尤其是当涡轮的工作状态接近不稳定边界时,效率的差异更大。4)选取NASA STAGE35作为研究对象,分析不同交界面处理方法对压气机总体性能计算结果的影响。不同的交接面处理方法总压比的计算结果差别较小,但是效率的计算结有差异较大。随着转速和流量的减小,不同交界面处理方法所得计算结果的差异越来越大。将数值计算的结果同实验数据进行比较,发现采用滑移面法和冻结转子法处理交界面时,计算结果比混合面法更接近实验值。通过以上计算,说明在对涡轮一类叶轮机械进行数值模拟时,交界面的处理方法对计算结果的影响不大。采用混合面法处理转静交界面的定常计算,不仅计算精度和非定常计算差别很小,而且计算速度快。在对压气机一类作功的叶轮机械进行数值模拟时,交界面处理方法的选择对计算结果的影响较大。采用冻结转子法处理转/静交界面可以达到同非定常计算同样的精度,而且花费的时间要少。论文的第二部分是涡轮结构与气动分析。文中提出了一种根据叶型坐标数据,求解叶型的几何参数的算法。首先对测绘数据进行三次样条密集插值,然后求出叶型的中弧线,并通过最小二乘法对中弧线进行修正,最后得出叶型的各项几何参数。通过对冲压涡轮静子和转子叶片上几个型面几何参数的求解,验证了这种算法的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 叶轮机内部流动数值模拟的发展
• 1.3 叶列间干涉
• 1.4 转/静交界面的研究进展
• 1.4.1 国外的研究概况
• 1.4.2 国内的研究概况
• 1.5 本文研究内容
• 第2章 数值方法及转/静交界面的处理
• 2.1 控制方程
• 2.2 湍流模型
• 2.3 时间离散
• 2.4 空间离散
• 2.4.1 粘性矢通量的离散
• 2.4.2 无粘性通量的离散
• 2.5 多重网格技术
• 2.6 转/静交界面处理方法
• 2.6.1 混合面模型
• 2.6.2 滑移面模型
• 2.6.3 转子冻结模型
• 2.7 小结
• 第3章 涡轮基元级叶栅的数值模拟
• 3.1 FLUENT 简介
• 3.1.1 GAMBIT 网格生成
• 3.1.2 FLUENT 求解器
• 3.2 算例说明
• 3.2.1 几何模型
• 3.2.2 计算网格
• 3.2.3 数值方法和边界条件
• 3.3 数值模拟结果的比较分析
• 3.3.1 轴向间距对计算结果差异的影响
• 3.3.2 轮缘速度对计算结果差异的影响
• 3.4 小结
• 第4章 涡轮三维流场的数值模拟
• 4.1 NUMECA 简介
• 4.1.1 IGG/AUTOGRID 自动网格生成器
• 4.1.2 EURANUS 求解器
• 4.1.3 转/静交界面的处理
• 4.2 算例说明
• 4.2.1 研究对象
• 4.2.2 计算网格
• 4.2.3 定解条件
• 4.2.4 计算收敛标准和时间
• 4.3 结果对比分析
• 4.3.1 非定常计算结果
• 4.3.2 总体性能对比分析
• 4.3.3 冲压涡轮的内流场分析
• 4.4 小结
• 第5章 压气机三维流场的数值模拟
• 5.1 算例说明
• 5.1.1 NASA STAGE35 简介
• 5.1.2 网格的生成
• 5.1.3 定解条件和计算时间
• 5.2 实验设备及气流参数的测量
• 5.3 计算结果的比较分析
• 5.3.1 总体性能的比较
• 5.3.2 压气机内流场分析
• 5.4 小结
• 第6章 叶型几何参数的计算及分析
• 6.1 叶型的主要几何参数
• 6.2 中弧线的生成
• 6.2.1 三次样条插值
• 6.2.2 中弧线的计算
• 6.2.3 中弧线的修正
• 6.3 计算程序
• 6.4 计算结果及分析
• 6.4.1 转子叶片几何参数的确定及分析
• 6.4.2 静子子叶片几何参数确定及分析
• 6.5 小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文
• 附录1 叶型几何参数计算程序
• 附录2 冲压涡轮叶型几何参数表