轴流压气机单通道内流数值模拟方法研究

发布时间：2017-10-24 07:43

  本文关键词：轴流压气机单通道内流数值模拟方法研究

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【摘要】：在当前的航空发动机研究体系中,压气机/风扇已经逐步进入三维设计和分析阶段,因此基于Navier-Stokes方程的压气机三维流场数值模拟对于压气机的设计和分析来说十分重要。在压气机初始设计阶段,每一轮迭代都会修改几何造型,并进行数值模拟,此阶段需要具有一定模拟精度的快速的数值模拟方法。为了取得好的设计结果,需要进行精细化的数值验证,从而降低试验风险。在可以接受的计算时间和计算条件下,需要选择精度尽可能高的模拟方法。为了研究不同的压气机算法的适用范围和计算特性,探索压气机内流特性,本文在课题组CFD解算器的基础上,发展并实现了求解单通道流场的混合平面法、谐波平衡法、相滞后法和求解多通道流场的非定常模拟方法(URANS方法)。通过与试验结果及商业软件的对比,验证了单通道算法在叶轮机械CFD上的可靠性;在本文的算例中,与URANS方法模拟结果的对比表明,谐波平衡法和相滞后法在保证非定常流动模拟精度的前提下,计算效率比URANS方法提高了一个数量级。在第一章中,首先介绍了压气机CFD算法研究的背景与意义,然后介绍了国内外压气机CFD算法的发展及现状和压气机单通道算法的原理,最后介绍了本文的主要研究内容。第二章介绍了数值计算方法,包括压气机流场的控制方程,求解方程所用的空间离散与时间离散格式,以及采用的边界条件和湍流模型。第三章为单级压气机的算例研究。首先采用单通道算法计算了压气机在设计转速下的流量特性曲线,并与商业软件及试验的结果进行对比。计算结果与试验结果相符,证明了算法及程序的有效性。然后在相同的边界条件下,通过与URANS方法的结果进行对比,包括流场细节、总体参数以及频谱分析等结果均吻合的很好,验证了单通道非定常算法对非定常流动模拟结果的正确性。最后,验证了单通道算法同样适用于回转面叶栅的流动计算。第四章为多级压气机单基频流动研究,证明了用于单级计算的程序能直接拓展到多级的计算。第五章为多级压气机多基频流动的研究。本章通过耦合优化算法解决了将谐波平衡法应用于多级压气机多基频流动计算时的鲁棒性问题,并将单基频的相滞后法拓展到了多基频领域,并将单通道算法与URANS方法的计算结果进行了比较和剖析。第六章为结束语,总结了现有的工作,指出了存在的不足,并展望了后续的研究工作。
【关键词】：轴流压气机 混合平面法 谐波平衡法 相滞后法 URANS方法
【学位授予单位】：中国空气动力研究与发展中心
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V233
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 引言10-20
• §1.1 研究背景与意义10-11
• §1.2 国内外压气机CFD方法概述11-13
• §1.3 压气机单通道CFD方法概述13-19
• §1.3.1 定常模拟13-14
• §1.3.2 非定常模拟14-18
• §1.3.3 压气机单通道CFD在国内外的研究现状18-19
• §1.4 本文研究内容19-20
• 第二章 数值计算方法20-38
• §2.1 控制方程20-24
• §2.1.1 混合平面法控制方程22
• §2.1.2 谐波平衡法控制方程22-24
• §2.1.3 相滞后法及多通道URANS方法的控制方程24
• §2.2 空间离散24-26
• §2.2.1 无粘项的离散24-25
• §2.2.2 粘性项的离散25-26
• §2.3 时间离散26-28
• §2.4 边界条件28-35
• §2.4.1 进出口边界条件28-29
• §2.4.2 固壁边界条件29
• §2.4.3 周期性边界条件29-33
• §2.4.4 交界面边界条件33-35
• §2.5 湍流模型35-37
• §2.6 本章小结37-38
• 第三章 单级压气机算例研究38-66
• §3.1 NASA STAGE 35 模型与网格38-40
• §3.2 算法有效性验证40-46
• §3.3 URANS方法校验46-57
• §3.3.1 流场细节47-53
• §3.3.2 总体参数变化53-55
• §3.3.3 计算效率55-57
• §3.4 叶栅计算中的比较验证57-64
• §3.4.1 单通道算法在叶栅计算上的校验57-58
• §3.4.2 URANS方法校验58-62
• §3.4.3 频谱分析62-64
• §3.5 本章小结64-66
• 第四章 多级单基频压气机算例研究66-72
• §4.1 计算模型与网格66-67
• §4.2 计算结果与分析67-71
• §4.3 本章小结71-72
• 第五章 多级多基频压气机算例研究72-85
• §5.1 谐波平衡法的计算时刻选取72-74
• §5.2 相滞后法在多级多基频流动上的功能拓展74-75
• §5.3 URANS方法校验75-81
• §5.3.1 在叶栅计算上的校验75-79
• §5.3.2 在三维压气机计算上的校验79-81
• §5.4 1-1/2 级压气机计算81-84
• §5.5 本章小结84-85
• 第六章 结束语85-87
• 致谢87-88
• 个人简介88-89
• 参考文献89-91

【参考文献】

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本文编号：1087787