跨声速压气机非定常流动及损失的数值研究
发布时间：2020-07-17 11:07
【摘要】： 压气机性能的进一步的提高很大程度上依赖于我们对其内部非定常流动机理及相应损失机制的认识。数值模拟的方法在这方面发挥着日益重要的作用,但是还面临很多问题。本文将在计算压气机内部复杂非定常流动的数值方法和合理衡量压气机的损失等方面开展工作,并基于这些工作,对跨声速压气机级Rotor35/Stator37内的损失进行分析。 在数值方法方面,构造了以下三个不同程度上反应多维效应的数值格式,(1)将精度和稳健性都已得到广泛认可的二维旋转迎风格式推广为三维。(2)通过在计算数值通量时近似求解完整的流体力学方程来体现多维效应的影响,本文构造了多维输运格式。对于粘性流动,该格式无粘通量的计算能够考虑粘性通量的影响。(3)基于线化多维欧拉方程的次特征线理论构造了考虑无限多方向影响的局部演化迦辽金格式。这三种方法的共同特点是相对于已有的考虑多维效应的格式更加简单、高效,且可以直接推广到非结构网格的计算。本文将三维旋转迎风格式格式应用到自行开发的多级叶轮机械模拟程序中。数值验证表明多维格式在模拟跨声速压气机内复杂流动方面有一定优势。 在衡量压气机内损失方面,本文基于热力学定律,在有用功分析的框架提出了一种相比现有损失评估方法更适于非定常流场局部损失分析的损失评估参数-损失功,其强度量-损失功强度便于用来将流场结构与损失联系起来。这两个参数物理意义明确,能够被用来方便的、定量的研究局部区域内由于不可逆过程导致的熵产引起的损失。相比于先前同类方法,这两个参数能够考虑具体流动结构对于局部熵增的影响,从而能够更准确的衡量局部自身熵产的大小。这两个参数为压气机的设计、优化和改型提供了一个有效工具。
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TH45
【图文】：
图 1.1 跨声速压气机内复杂的流动构型二十世纪中叶，科学家们就开始关注叶轮机械内的非定常流时客观条件，只能进行一些简单的理论计算，设计者所依靠实验积累而来的经验公式以及相当简化的 Navier-Stokes 方程光多普勒( LDV )测速仪、激光粒子测速仪（PIV）等先进测显示技术的产生和发展，实验在帮助工程师了解叶轮机械内，作用越加明显。但是实验测量成本高、投资大、获得结果叶高速旋转的特性以及叶轮机械本身紧凑的结构，使得测试当困难，对动叶流场中的物理量一般只能间接测量，因而很准确的流场，比如顶部间隙内的三维流场。而且，实验通常相似条件，存在着不可消除的外在意外干扰。方面，经过近几十年的发展，计算流体力学为叶轮机械研究个可以方便研究流场细节的手段。采用数值方法来分析压气动细节及局部损失机制，并依此作为设计和改进的依据，可设计效率并降低成本。数值模拟已经成为研究叶轮机械内部
1. 进口导叶，2. 转子叶片，3. 静子叶片图 1.2 多级轴流压气机示意图机三维数值模拟的研究进展轮机械三维定常/非定常流动的数值方法近年得到了迅速软件如 CFX、Numeca 等都有专门的叶轮机械流场数值至优化设计的模块，这在一定程度上说明叶轮机械流场成熟。然而，由于叶轮机械尤其是压气机内流动的复杂在很多情况下还不能对流场，尤其是非定常流场做出准各研究机构和航空发动机生产企业已经并仍将发展各具定常和非定常流动的专业软件。专业软件有源代码，因展性等方面具有商业软件不可替代的优势。更重要的是含了设计者，使用者和软件开发人员的宝贵经验，这些展压气机流场计算方法是十分重要的。本节将综述压气
图 1.3 压气机内一级示意图和总压损失系数的表达式均可由热力学理论得到数时，常针对热力系统，并假定流动是准一维定题时，这些关系也可以根据流线上的广义伯努利方表明这些参数可直接应用于非定常流动。但事实上定常效应的压气机性能时，也经常被用到。这时我述了某一流体质点在其运动过程中与其初始状态。无论是应用于准一维流动还是多维定常和非定共同点，即它们通过比较某一热力学状态与其初始机的性能。因此它们反映的是压气机性能的累积式的绝热效率和总压损失系数中得到清楚的显示失系数为例，根据式 (1-5)，Δ s越大，总压损失就 3 和位置 2 之间熵的增加。 Δ s如果较大，我们知道间（多维情况应理解为沿流线或者迹线从位置 2失区域，但在位置 3 的局部损失（熵产）不一定
本文编号：2759349
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TH45
【图文】：
图 1.1 跨声速压气机内复杂的流动构型二十世纪中叶，科学家们就开始关注叶轮机械内的非定常流时客观条件，只能进行一些简单的理论计算，设计者所依靠实验积累而来的经验公式以及相当简化的 Navier-Stokes 方程光多普勒( LDV )测速仪、激光粒子测速仪（PIV）等先进测显示技术的产生和发展，实验在帮助工程师了解叶轮机械内，作用越加明显。但是实验测量成本高、投资大、获得结果叶高速旋转的特性以及叶轮机械本身紧凑的结构，使得测试当困难，对动叶流场中的物理量一般只能间接测量，因而很准确的流场，比如顶部间隙内的三维流场。而且，实验通常相似条件，存在着不可消除的外在意外干扰。方面，经过近几十年的发展，计算流体力学为叶轮机械研究个可以方便研究流场细节的手段。采用数值方法来分析压气动细节及局部损失机制，并依此作为设计和改进的依据，可设计效率并降低成本。数值模拟已经成为研究叶轮机械内部
1. 进口导叶，2. 转子叶片，3. 静子叶片图 1.2 多级轴流压气机示意图机三维数值模拟的研究进展轮机械三维定常/非定常流动的数值方法近年得到了迅速软件如 CFX、Numeca 等都有专门的叶轮机械流场数值至优化设计的模块，这在一定程度上说明叶轮机械流场成熟。然而，由于叶轮机械尤其是压气机内流动的复杂在很多情况下还不能对流场，尤其是非定常流场做出准各研究机构和航空发动机生产企业已经并仍将发展各具定常和非定常流动的专业软件。专业软件有源代码，因展性等方面具有商业软件不可替代的优势。更重要的是含了设计者，使用者和软件开发人员的宝贵经验，这些展压气机流场计算方法是十分重要的。本节将综述压气
图 1.3 压气机内一级示意图和总压损失系数的表达式均可由热力学理论得到数时，常针对热力系统，并假定流动是准一维定题时，这些关系也可以根据流线上的广义伯努利方表明这些参数可直接应用于非定常流动。但事实上定常效应的压气机性能时，也经常被用到。这时我述了某一流体质点在其运动过程中与其初始状态。无论是应用于准一维流动还是多维定常和非定共同点，即它们通过比较某一热力学状态与其初始机的性能。因此它们反映的是压气机性能的累积式的绝热效率和总压损失系数中得到清楚的显示失系数为例，根据式 (1-5)，Δ s越大，总压损失就 3 和位置 2 之间熵的增加。 Δ s如果较大，我们知道间（多维情况应理解为沿流线或者迹线从位置 2失区域，但在位置 3 的局部损失（熵产）不一定
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 程荣辉;轴流压气机设计技术的发展[J];燃气涡轮试验与研究;2004年02期
本文编号：2759349
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jixiegongcheng/2759349.html
