本文采用數(shù)值模擬與實驗相結(jié)合的方法,分別對對旋風機和空氣炮進行設計、流場特性研究、設計優(yōu)化和實驗測試。實驗分別在中國科學院工程熱物理研究所的對旋風機實驗臺和空氣炮實驗臺上進行,數(shù)值模擬采用三維粘性流場計算軟件NUMECA。本文共分正文和附錄兩個部分： 正文部分報告對旋風機的設計、流場特性研究和實驗的研究結(jié)果。通過理論分析,給出了適合對旋風機的前后排轉(zhuǎn)子負荷比選擇范圍。通過數(shù)值模擬,探討了使用模擬平面葉柵計算代替實驗研究并利用三維優(yōu)化模塊進行葉型優(yōu)化的方法,表明該方法可以通過自動尋優(yōu)提高葉柵性能；對適用于對旋級的轉(zhuǎn)子進行葉型優(yōu)化后得到的新葉型損失降低,壓力場更加均勻,尾跡區(qū)速度梯度減��；計算也表明,在低速狀態(tài)下葉型損失主要由攻角決定,優(yōu)化幾何型線對葉片性能提高的空間有限。對旋級的葉頂間隙研究表明,間隙損失是對旋風機損失的重要組成部分,隨著間隙增大,不僅流量降低,壓升也不斷降低,間隙對效率的影響比普通軸流風機更為顯著；間隙泄漏渦在前緣下游開始發(fā)展,旋渦強度先增大后減小,渦心離開吸力面的位置沿流向基本成線性,摻混損失區(qū)域不斷擴大；后排轉(zhuǎn)子泄漏渦的強度和影響區(qū)域均明顯大于前排轉(zhuǎn)子,在后排轉(zhuǎn)子流道內(nèi)可以看到前排轉(zhuǎn)子泄漏渦衰減的軌跡；在設計中必須重視間隙的影響,以控制間隙損失。最后運用S2設計程序與三維流場分析相結(jié)合的設計方法顯著提高了對旋風機葉輪級和整機的性能,優(yōu)化設計的對旋風機穩(wěn)定運行區(qū)域?qū)拸V,流量全壓特性好,達到了設計要求,在70～130％設計流量范圍內(nèi)穩(wěn)定運行無喘振,在70～116％設計流量范圍內(nèi)全壓效率均達到80％以上,設計點的整機全壓效率達到86％,而且后排轉(zhuǎn)子電機在全工況范圍內(nèi)無超負荷運轉(zhuǎn),避免了常見的二級電機燒毀問題。采用數(shù)值模擬分析對旋風機的流場特性和損失機理,揭示了制約對旋級效率進一步提高的關(guān)鍵在于控制前后排轉(zhuǎn)子的葉根區(qū)域損失,這有望通過優(yōu)化前后排轉(zhuǎn)子徑向負荷匹配和采用子午加速輪轂的設計實現(xiàn)。 附錄部分報告空氣炮的理論分析、數(shù)值模擬和實驗的研究結(jié)果。理論分析表明,空氣炮排氣噴管直徑、空氣炮活塞筒開口方式和矢量噴管是空氣炮性能的主要影響因素。通過數(shù)值計算得到了合理的改型參數(shù)尺寸,在此基礎上加工了優(yōu)化改型后的實驗件。實驗對比表明,數(shù)值模擬較準確地計算了空氣炮的定常和非定常性能,通過改型設計,KL50型空氣炮的沖擊力比原型機普遍提高50%以上,在罐內(nèi)壓力0.8MPa的工況下提高66％。
【學位授予單位】：中國科學院研究生院（工程熱物理研究所）
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2011
【分類號】：TH43