基于频率和相位的叶轮机械内流多因素耦合干涉效应研究

发布时间：2018-10-05 14:47

【摘要】：轴流和离心压气机作为气态工质压缩装置,在现代工业中扮演重要角色。在压气机内部,由于同时存在转动和静止部件,压气机内部工质流动必然受到转静干涉等因素影响,呈现高度非定常特征。在叶轮机械内部流场中,某一点可能同时遭受多个因素共同影响,该点处气体流动状态就会呈现出多个影响因素耦合叠加特点。而这种耦合又会因相对相位变化诱发不同的叠加效应,致使工质非定常流动行为受到激励或抑制,进而影响压气机内部气体非定常流动特性。如果能够深入了解这些影响因素叠加过程及特点,将有利于实现压气机内部非定常流动的较好组织,最终提高压气机的气动性能和部件可靠性。本文使用数值计算方法,分析压气机内部转静干涉及多个转静干涉相互叠加现象,详细讨论压气机内部多个干涉因素耦合叠加过程,并建立相应数学模型,用以揭示不同叠加效应出现的机理。研究工作主要内容如下:1.第3章以两排叶片组成的轴流压气机为基础模型,通过一系列模型修改构成研究目的所需模型,用以研究上游叶片对下游叶片尾迹,和下游叶片对上游叶片尾迹抖动行为的驱动机理。研究结果表明:上游叶片尾迹是下游叶片尾迹抖动行为的主要诱导源之一。相应诱导机理为:上游叶片尾迹与下游叶片边界层发生干涉,致使干涉区边界层厚度增加,随后叶片两侧增厚边界层异步汇入尾迹,导致下游叶片尾迹发生抖动行为。下游叶片势流也是上游叶片尾迹抖动行为的一个主要驱动力。相应驱动机理为下游叶片势能造成两排叶片之间无叶区域存在静压周向梯度。随转静叶片排相对运动,这种静压周向梯度周期性变化,进而驱动上游叶片尾迹随时间发生左右摆动现象,在空间尾迹呈现抖动状态。2.在三排叶片组成的压气机中,上下游叶轮均对中间静叶尾迹抖动行为进行干涉。据此,研究重点为上下游干涉耦合作用下中间叶片的尾迹抖动特性。根据观察结果,建立多种影响因素叠加公式,并借鉴模型拆分方法分离部分干涉因素,进而获得部分干涉因素的时域信息。最后,依据影响因素时域叠加图形(时域相对相位)揭示多因素如何耦合驱动中间叶片尾迹抖动,及此过程中多因素不同叠加效应出现机理。3.第5章基于已建立的影响因素叠加公式,研究中间叶片表面压力非定常变化。同样应用模型拆分方法获得部分影响因素的时域波形和时域叠加特征,分析了轴径流组合压气机中静叶表面压力非定常变化。另外,通过多次应用模型分解方法,将参与叠加的主要影响因素相互分离,获得更多干涉因素时域信息,进而拓展和完善了影响因素叠加公式的应用。在详细分析影响因素时域特征后发现:影响因素的相对相位和影响因素自身非定常变化强度是决定它们耦合叠加效应的主导因素。4.第6章从内燃机二级涡轮增压器系统中抽取出弯管导流进气的离心压气机模型。用数值模拟方法预测8个时序位置(进气弯管相对于蜗壳的周向位置)下压气机气动性能。计算结果表明进气弯管和蜗壳间确实存在时序效应现象。由于研究模型中并不存在上下游同名叶片排,因此“经典”时序效应机理不再适用于这种特殊的时序效应。本文依据非定常计算结果,应用上文所阐述的多因素耦合叠加理论完善地阐述了进气弯管与蜗壳间存在时序效应的原因,并确定了时序位置变化引发压气机内部流动恶化的具体位置。
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【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH45

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本文编号：2253794