跨音速离心压气机三维流场数值分析

发布时间：2020-03-31 10:50

【摘要】： 压气机的失速与喘振是两种既有密切联系又互相区别的非稳定流动现象。喘振会导致压气机叶片发生剧烈的震荡,严重时会损害压气机本身,而旋转失速是喘振发生前的先兆,深入分析旋转失速是控制压气机喘振的重要前提和基础。 本文采用三维数值模拟的方法,利用CFD技术仿真某离心式压气机。利用NASA文献提供的压气机和扩压器叶片数据建立计算模型,并用解析几何的方法处理压气机叶片前缘的圆弧,建立压气机和扩压器的几何模型,并建立高、中、低三种不同网格密度的计算域模型,分别在80%和100%工况下对三种网格密度的计算模型,进行稳态数值计算。通过对比三种网格密度在高低工况下的流场分布特性、压力分布特性、压气机整机性能和数值仿真结果误差,发现三种网格密度模型的计算结果相差不大,压气机特性也相同,由此证明低密度网格能够满足压气机特性仿真计算的要求。 利用低密度网格建立压气机和扩压器的全周计算模型,进行压气机近喘振点三维非定常计算。本文主要研究压气机在近喘振点附近的旋转失速现象。通过计算发现,压气机在发生旋转失速前,扩压器流道内部已经出现了流场分布不对称的现象,而且这些不均匀的流场分布在计算的不同时刻,也发生变化。在失速发生之前扩压器叶片的压力面和吸力面都出现气体分离,发生气体分离的位置从叶根处随时间变化向叶顶方向发展。 通过计算,压气机在高工况下运行时,旋转失速发生的速度较快,失速频率为26.5Hz,并且失速发生对应压气机特性图上的范围非常窄,失速发生后紧接着压气机进入喘振状态,在计算到第13圈时,压气机进入深度喘振,这与实际压气机特性符合。本文的研究为进一步采取主动流动控制技术,如扩压器机匣或轮毂射流主动控制离心压气机喘振,奠定了基础。
【图文】：

图 1.1 旋转失速二重特性示意图[17]速涡的出现和失速域的扩大，压力-流量特性曲线的曲率达到 B 点后突跃到 B‘点，再减小流量到全闭点 A。然后再到 B‘点，工况并不是突跃到 B 点，，而是前行至 C‘点，再所谓的失速机理的二重特性。其原因是 B 点右边的大流量片顶部附近产生的部分半径失速，特性曲线 A B‘C‘段上出于叶片全高的全半径失速。交通大学王志标等[18]，分析比较了压缩机旋转失速现象和联系，重点分析了失速和喘振的产生机理，并从各相关学现主动控制与被动控制在防止压气机喘振时的不同。被动到达喘振边界，而主动控制是左移压缩机的喘振边界，被易实现，而主动控制在结构上比较复杂，但是能拓宽压气缩机旋转失速实验研究的现状

图 2.1 近壁面附面层划分目前，绝大多数湍流模型都是假设在整个计算域中流动是湍流状态，忽视了附面层转捩的问题，这样处理在大多出情况下虽然可以得到基本令人满意的数值结果，但深入探讨确实是不完善的。附面层转捩方面的研究一直是国内外的热点课题，对转捩的准确预测是转捩模型可靠性的评价标准。基于工程应用的转捩的预测有两大类模型：其一，低雷诺数湍流模型，在湍流模型的基础上使用壁面衰减函数猝发转捩，这种概念基于输运方程且实现起来并不困难，但是从经验上看，这种方法不能恰当的找到影响转捩的各种因素。其二，实验相关模型，通过湍流强度和动量厚度雷诺数之间的关联判断转捩的猝发，建立由间歇因子和动量厚度雷诺数判断准则构成的两个输运方程。CFX 基于实验相关模型开发了转捩模型。在转捩模型中，Langtry-Menter的经验相关方法可以用来预测跨越转捩（Bypass Transition）问题，结合 SST湍流模型，可以用于宽广范围湍流场的模拟。在叶轮机内，上游尾迹干扰诱导下游叶片附面层周期性的转捩属于跨越转捩模式，因此该模型可以被用来
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TH452

【引证文献】

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1 李佳瑞;某型1.5级压气机试验与数值模拟研究[D];哈尔滨工程大学;2012年

2 怓永泰;三元叶轮的计算机辅助设计及其气动性能分析[D];大连理工大学;2013年

本文编号：2608978