本文采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,分別對(duì)對(duì)旋風(fēng)機(jī)和空氣炮進(jìn)行設(shè)計(jì)、流場(chǎng)特性研究、設(shè)計(jì)優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)分別在中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所的對(duì)旋風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)和空氣炮實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行,數(shù)值模擬采用三維粘性流場(chǎng)計(jì)算軟件NUMECA。本文共分正文和附錄兩個(gè)部分： 正文部分報(bào)告對(duì)旋風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)、流場(chǎng)特性研究和實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果。通過理論分析,給出了適合對(duì)旋風(fēng)機(jī)的前后排轉(zhuǎn)子負(fù)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(jì)算代替實(shí)驗(yàn)研究并利用三維優(yōu)化模塊進(jìn)行葉型優(yōu)化的方法,表明該方法可以通過自動(dòng)尋優(yōu)提高葉柵性能；對(duì)適用于對(duì)旋級(jí)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行葉型優(yōu)化后得到的新葉型損失降低,壓力場(chǎng)更加均勻,尾跡區(qū)速度梯度減��；計(jì)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(duì)葉片性能提高的空間有限。對(duì)旋級(jí)的葉頂間隙研究表明,間隙損失是對(duì)旋風(fēng)機(jī)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(duì)效率的影響比普通軸流風(fēng)機(jī)更為顯著；間隙泄漏渦在前緣下游開始發(fā)展,旋渦強(qiáng)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(kuò)大；后排轉(zhuǎn)子泄漏渦的強(qiáng)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(shè)計(jì)中必須重視間隙的影響,以控制間隙損失。最后運(yùn)用S2設(shè)計(jì)程序與三維流場(chǎng)分析相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法顯著提高了對(duì)旋風(fēng)機(jī)葉輪級(jí)和整機(jī)的性能,優(yōu)化設(shè)計(jì)的對(duì)旋風(fēng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域?qū)拸V,流量全壓特性好,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,在70～130％設(shè)計(jì)流量范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行無喘振,在70～116％設(shè)計(jì)流量范圍內(nèi)全壓效率均達(dá)到80％以上,設(shè)計(jì)點(diǎn)的整機(jī)全壓效率達(dá)到86％,而且后排轉(zhuǎn)子電機(jī)在全工況范圍內(nèi)無超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn),避免了常見的二級(jí)電機(jī)燒毀問題。采用數(shù)值模擬分析對(duì)旋風(fēng)機(jī)的流場(chǎng)特性和損失機(jī)理,揭示了制約對(duì)旋級(jí)效率進(jìn)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(fù)荷匹配和采用子午加速輪轂的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。 附錄部分報(bào)告空氣炮的理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)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(jì)算得到了合理的改型參數(shù)尺寸,在此基礎(chǔ)上加工了優(yōu)化改型后的實(shí)驗(yàn)件。實(shí)驗(yàn)對(duì)比表明,數(shù)值模擬較準(zhǔn)確地計(jì)算了空氣炮的定常和非定常性能,通過改型設(shè)計(jì),KL50型空氣炮的沖擊力比原型機(jī)普遍提高50%以上,在罐內(nèi)壓力0.8MPa的工況下提高66％。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院（工程熱物理研究所）
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：TH43