一个叶片几何形状设计的数学方法——湍流边界的控制问题

来源 :中国工程热物理学会2004年热机气动热力学学术会议 | 被引量 : 0次 | 上传用户:chenzj071
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本文从叶轮机械原理和三维N-S方程出发,提出叶片气动设计的几何形状最优控制问题,其相应的目标泛函是能量耗散泛函;同时运用张量分析工具建立起目标泛函与叶片几何形状之间的响应函数关系,进而得到叶片几何形状最优控制问题的Euler-Lagrange方程;最后给出了实现新的设计方法的数值算法及叶片面计算机生成方法.
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本文结合HL220转轮机组改型中的模型试验,针对尾水管内的流动,采用2D-PIV激光内流速测试设备对锥管内径向面进行了内流测试,给出了最优工况下转轮出口位置径向面的流动瞬态结果,清楚显示了尾水管进口位置在最优工况下的流动非定常特征与细节.对时均速度结果和瞬态速度沿径向位置的变化进行了对比,并对内部固定位置的速度变化的幅度进行了分析,给出了变化曲线.PIV内流测试结果为研究尾水管进口流动演变提供的实
1+1/2对转涡轮是高性能军用发动机迫切需要的关键部件之一.本文针对某对转涡轮模型级的三维流场进行了数值模拟.计算结果表明,该对转涡轮各方面性能基本达到了设计目标,说明高压动叶采用典型的收扩叶型设计切实可行;但该对转涡轮局部流场组织并未达到最优,三排叶片(尤其是高压动叶)还需进一步优化.计算结果还表明,随出口背压的增加,高压转子的性能受影响较小,而低压转子受影响较大.
轴流压气机设计过程中,"掠"常被作为重要、有效的扩稳及提高效率措施而广泛使用,产生了巨大的实际效益.然而,人们对轴流压气机"掠"的认识仍很难统一:有些仅因形取意,比如,纯粹比照机翼"掠"的解释;有些则仅形似地效仿通用动力(GE)或普惠(PW)、罗罗(RR)等大公司的"掠"设计……,这对于正确理解"掠"效用机制、促进日常应用"掠"叶片设计始终是个障碍.基于对"掠"发展历史的回顾,本文对"掠"本质进行
作为扩稳及提高效率的重要措施,"掠"叶片技术受到广泛关注.根据前文[10]对"掠"技术的回顾以及由其获得的认识,本文将以工程实际设计的某轴流跨音压气机第一级转叶为例,结合该叶片"掠"参数化和流场数值结果深化对"掠"的认识.
叶排稠度或节弦比选取是叶轮机气动设计过程的重要环节,设计人员必须不厌其烦地根据需求及限制进行筛选.然而,实际制造安装工艺可能随时违背设计者的初衷.为避免实施耗费惊人的试验研究及缩短研制周期,数值模拟无疑是个好方法.要保证计算结果可靠,数值计算采用整周非定常流动模型是必要的.为配合本文研究目标,选取一典型高压透平级和一典型低压透平级进行设计研究.分别对其原始设计(A)、静叶部分透光设计(B)、静叶完
采用高分辨率TVD格式编写了一套三维CFD程序以用于叶轮机械及其它方面的研究,并基于MPI将其并行化,使其具有进行大规模计算的能力.为了在有限差分法与有限体积法转换时,尽可能小的改动源代码,讨论了两种方法的异同及统一实现的框架,并指出及证明了在有限体积法中,直接使用网格变换函数定义式的几何意义.为了校核程序,提供了扩散管道算例与Aachen涡轮动叶算例,指出了扩散管道流场发展中的一些有趣现象.
数值模拟了低速条件下吸气缝隙宽度、角度等微尺度变化对吸气式扩压叶栅气动性能影响.结果表明,附面层抽吸具有显著降低叶栅损失,改善流动,增加负荷及扩压能力等优点;吸气量相同时,缝隙宽度增加可进一步改善角区流动并减小叶栅两端部损失,吸气角度变化则对吸气缝隙出口压力有较大影响,为非均匀缝隙宽度设计及工况变化时有效控制吸气量提供了设计自由度.
本文对某型1200mm的低压长叶片级内的流动进行了CFD分析.计算采用时均N-S方程,湍流模型采用Spalart-Allmaras模型,湿蒸汽为平衡态.计算结果表明:由于叶片的剧烈扭曲,必须有良好的网格生成方法;导叶叶根与动叶叶顶气流马赫数达到1.8,局部2.0;长叶片的叶根可能出现负反动度;级内流动效率可以达到90﹪.
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本文用数值模拟的方法,对某涡扇发动机从风扇入口到增压级出口以及整个外涵道的稳态流场进行了联算和分析.得出了比较详细的内外涵道流场的信息.为叶片优化设计以及气动声学评估提供了依据.