叶轮机械流场数值模拟及反问题设计研究
发布时间：2021-05-16 17:28
随着计算机性能的提升,计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）得到快速发展,在叶轮机械叶型设计和流场分析中占有越来越重要的地位。尤其在叶型气动设计中,CFD技术大大减少了对试验数据的依赖,成为现代叶轮机械设计体系的主要组成部分。以CFD技术为支撑,国内外发展了多种正问题分析和优化程序,以及反问题叶型气动设计方法。本文以工程应用为背景,以数值求解Navier-Stokes（N-S）方程为主要内容,开发一套较为通用的,满足一定精度和求解速度要求的全三维流场数值求解程序,并在此基础上开发叶轮机叶片反问题设计程序。再以跨声速压气机为主要研究对象,对所开发的正反问题程序进行测试和研究。具体工作包括以下内容:（1）针对跨声速叶轮机械复杂内部流动,利用所开发的全三维CFD求解器对常用格式的计算精度进行对比。以Rotor67压气机转子为例进行数值试验,对比了两种FVS格式,即Steger-Warming格式、Van Leer格式在不同MUSCL插值处理方式下的计算效果。结果表明,Van Leer格式的模拟效果优于StegerWarming格式,使用原始变量插值...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)北京市
【文章页数】：145 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 引言
1.1 研究背景
1.2 叶轮机械正问题设计
1.2.1 一维及二维半经验设计
1.2.2 准三维设计
1.2.3 全三维设计
1.3 反问题设计方法
1.4 计算流体动力学的发展
1.4.1 空间离散格式
1.4.2 时间离散格式
1.4.3 网格生成技术
1.4.4 湍流模型
1.4.5 在叶轮机械中的应用
1.5 主要研究内容
第2章 数值计算方法
2.1 流场控制方程
2.1.1 雷诺输运公式
2.1.2 连续性方程
2.1.3 动量方程
2.1.4 能量方程
2.1.5 本构方程
2.2 控制方程的数值求解形式
2.2.1 柱坐标系下的N-S方程
2.2.2 动网格下的N-S方程
2.2.3 一般曲线坐标系下的N-S方程
2.2.4 有限差分法与有限体积法的转换
2.3 方程的数值离散
2.3.1 对流项
2.3.2 粘性项
2.3.3 时间推进格式
2.4 湍流模型
2.5 边界条件
2.6 叶片排动静交界面处理
2.7 本章小节
第3章 数值计算方法验证
3.1 模型及网格
3.2 FVS格式的对比研究
3.2.1 Rotor67 总性能
3.2.2 出口径向参数分布
3.2.3 流场细节
3.3 AUSM+格式的对比研究
3.3.1 Rotor67 总性能
3.3.2 出口径向参数分布
3.3.3 流场细节
3.4 叶片排交界面模型验证
3.4.1 Stage35 压气机级
3.4.2 1.5级亚琛涡轮
3.5 本章小结
第4章 反问题设计方法
4.1 叶型修改方法
4.1.1 虚位移计算
4.1.2 叶型光顺方法
4.1.3 反问题设计流程
4.2 动静叶片排匹配
4.2.1 动静叶片排匹配方法
4.2.2 多排叶片反问题设计流程
4.3 反问题方法验证
4.3.1 单排叶片
4.3.2 多排叶片
4.4 本章小结
第5章 反问题方法应用
5.1 Rotor67 转子优化
5.1.1 目标载荷曲线调整
5.1.2 优化前后结果对比
5.2 Stage35 压气机级优化
5.2.1 目标载荷曲线调整
5.2.2 优化前后结果对比
5.3 本章小结
第6章 结论与展望
6.1 研究结论
6.2 本文创新点
6.3 研究展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]多级环境下轴流压气机反方法改型设计[J]. 梁言,吴虎,刘昭威. 航空动力学报. 2018(01)
[2]多级轴流压气机反问题级间气动匹配设计方法[J]. 刘昭威,吴虎,梁言,侯朝山. 推进技术. 2017(09)
[3]一种叶轮机三维叶型黏性反问题方法[J]. 宁方飞,贾新亮,鞠鹏飞. 航空动力学报. 2016(06)
[4]改进的反问题边界条件在叶轮机械中的应用[J]. 刘昭威,吴虎,唐晓毅. 工程热物理学报. 2015(10)
[5]跨声速轴流压气机转子反问题优化方法[J]. 刘昭威,吴虎,唐晓毅. 推进技术. 2015(09)
[6]叶片全三维反问题优化设计方法[J]. 朱阳历,王正明,陈海生,谭春青. 航空动力学报. 2012(05)
[7]基于欧拉方程的二维振荡机翼非定常气动设计反命题方法（Ⅱ）[J]. 杨爱玲,姚征,刘高联. 空气动力学学报. 2008(03)
[8]压气机/风扇叶片自动优化设计的研究现状和关键技术[J]. 周正贵. 航空学报. 2008(02)
[9]透平叶栅三维粘性气动反问题的控制理论方法[J]. 李颖晨,丰镇平. 工程热物理学报. 2007(04)
[10]NACA-65-0012机翼的非定常反问题解[J]. 杨爱玲,姚征,刘高联. 工程热物理学报. 2006(06)
硕士论文
[1]离心压气机叶片反问题设计方法研究[D]. 孙立.南京航空航天大学 2016
[2]压气机叶型粘性反问题设计方法研究[D]. 张小玉.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2014
[3]压气机叶片三维反问题设计技术研究[D]. 刘文亮.南京航空航天大学 2012
[4]压气机叶型反问题设计技术研究[D]. 周亦成.南京航空航天大学 2012
本文编号：3190104
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院工程热物理研究所)北京市
【文章页数】：145 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 引言
1.1 研究背景
1.2 叶轮机械正问题设计
1.2.1 一维及二维半经验设计
1.2.2 准三维设计
1.2.3 全三维设计
1.3 反问题设计方法
1.4 计算流体动力学的发展
1.4.1 空间离散格式
1.4.2 时间离散格式
1.4.3 网格生成技术
1.4.4 湍流模型
1.4.5 在叶轮机械中的应用
1.5 主要研究内容
第2章 数值计算方法
2.1 流场控制方程
2.1.1 雷诺输运公式
2.1.2 连续性方程
2.1.3 动量方程
2.1.4 能量方程
2.1.5 本构方程
2.2 控制方程的数值求解形式
2.2.1 柱坐标系下的N-S方程
2.2.2 动网格下的N-S方程
2.2.3 一般曲线坐标系下的N-S方程
2.2.4 有限差分法与有限体积法的转换
2.3 方程的数值离散
2.3.1 对流项
2.3.2 粘性项
2.3.3 时间推进格式
2.4 湍流模型
2.5 边界条件
2.6 叶片排动静交界面处理
2.7 本章小节
第3章 数值计算方法验证
3.1 模型及网格
3.2 FVS格式的对比研究
3.2.1 Rotor67 总性能
3.2.2 出口径向参数分布
3.2.3 流场细节
3.3 AUSM+格式的对比研究
3.3.1 Rotor67 总性能
3.3.2 出口径向参数分布
3.3.3 流场细节
3.4 叶片排交界面模型验证
3.4.1 Stage35 压气机级
3.4.2 1.5级亚琛涡轮
3.5 本章小结
第4章 反问题设计方法
4.1 叶型修改方法
4.1.1 虚位移计算
4.1.2 叶型光顺方法
4.1.3 反问题设计流程
4.2 动静叶片排匹配
4.2.1 动静叶片排匹配方法
4.2.2 多排叶片反问题设计流程
4.3 反问题方法验证
4.3.1 单排叶片
4.3.2 多排叶片
4.4 本章小结
第5章 反问题方法应用
5.1 Rotor67 转子优化
5.1.1 目标载荷曲线调整
5.1.2 优化前后结果对比
5.2 Stage35 压气机级优化
5.2.1 目标载荷曲线调整
5.2.2 优化前后结果对比
5.3 本章小结
第6章 结论与展望
6.1 研究结论
6.2 本文创新点
6.3 研究展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]多级环境下轴流压气机反方法改型设计[J]. 梁言,吴虎,刘昭威. 航空动力学报. 2018(01)
[2]多级轴流压气机反问题级间气动匹配设计方法[J]. 刘昭威,吴虎,梁言,侯朝山. 推进技术. 2017(09)
[3]一种叶轮机三维叶型黏性反问题方法[J]. 宁方飞,贾新亮,鞠鹏飞. 航空动力学报. 2016(06)
[4]改进的反问题边界条件在叶轮机械中的应用[J]. 刘昭威,吴虎,唐晓毅. 工程热物理学报. 2015(10)
[5]跨声速轴流压气机转子反问题优化方法[J]. 刘昭威,吴虎,唐晓毅. 推进技术. 2015(09)
[6]叶片全三维反问题优化设计方法[J]. 朱阳历,王正明,陈海生,谭春青. 航空动力学报. 2012(05)
[7]基于欧拉方程的二维振荡机翼非定常气动设计反命题方法（Ⅱ）[J]. 杨爱玲,姚征,刘高联. 空气动力学学报. 2008(03)
[8]压气机/风扇叶片自动优化设计的研究现状和关键技术[J]. 周正贵. 航空学报. 2008(02)
[9]透平叶栅三维粘性气动反问题的控制理论方法[J]. 李颖晨,丰镇平. 工程热物理学报. 2007(04)
[10]NACA-65-0012机翼的非定常反问题解[J]. 杨爱玲,姚征,刘高联. 工程热物理学报. 2006(06)
硕士论文
[1]离心压气机叶片反问题设计方法研究[D]. 孙立.南京航空航天大学 2016
[2]压气机叶型粘性反问题设计方法研究[D]. 张小玉.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2014
[3]压气机叶片三维反问题设计技术研究[D]. 刘文亮.南京航空航天大学 2012
[4]压气机叶型反问题设计技术研究[D]. 周亦成.南京航空航天大学 2012
本文编号：3190104
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