【摘要】： 壓氣機(jī)性能的進(jìn)一步的提高很大程度上依賴于我們對其內(nèi)部非定常流動機(jī)理及相應(yīng)損失機(jī)制的認(rèn)識。數(shù)值模擬的方法在這方面發(fā)揮著日益重要的作用,但是還面臨很多問題。本文將在計(jì)算壓氣機(jī)內(nèi)部復(fù)雜非定常流動的數(shù)值方法和合理衡量壓氣機(jī)的損失等方面開展工作,并基于這些工作,對跨聲速壓氣機(jī)級Rotor35/Stator37內(nèi)的損失進(jìn)行分析。 在數(shù)值方法方面,構(gòu)造了以下三個(gè)不同程度上反應(yīng)多維效應(yīng)的數(shù)值格式,(1)將精度和穩(wěn)健性都已得到廣泛認(rèn)可的二維旋轉(zhuǎn)迎風(fēng)格式推廣為三維。(2)通過在計(jì)算數(shù)值通量時(shí)近似求解完整的流體力學(xué)方程來體現(xiàn)多維效應(yīng)的影響,本文構(gòu)造了多維輸運(yùn)格式。對于粘性流動,該格式無粘通量的計(jì)算能夠考慮粘性通量的影響。(3)基于線化多維歐拉方程的次特征線理論構(gòu)造了考慮無限多方向影響的局部演化迦遼金格式。這三種方法的共同特點(diǎn)是相對于已有的考慮多維效應(yīng)的格式更加簡單、高效,且可以直接推廣到非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的計(jì)算。本文將三維旋轉(zhuǎn)迎風(fēng)格式格式應(yīng)用到自行開發(fā)的多級葉輪機(jī)械模擬程序中。數(shù)值驗(yàn)證表明多維格式在模擬跨聲速壓氣機(jī)內(nèi)復(fù)雜流動方面有一定優(yōu)勢。 在衡量壓氣機(jī)內(nèi)損失方面,本文基于熱力學(xué)定律,在有用功分析的框架提出了一種相比現(xiàn)有損失評估方法更適于非定常流場局部損失分析的損失評估參數(shù)-損失功,其強(qiáng)度量-損失功強(qiáng)度便于用來將流場結(jié)構(gòu)與損失聯(lián)系起來。這兩個(gè)參數(shù)物理意義明確,能夠被用來方便的、定量的研究局部區(qū)域內(nèi)由于不可逆過程導(dǎo)致的熵產(chǎn)引起的損失。相比于先前同類方法,這兩個(gè)參數(shù)能夠考慮具體流動結(jié)構(gòu)對于局部熵增的影響,從而能夠更準(zhǔn)確的衡量局部自身熵產(chǎn)的大小。這兩個(gè)參數(shù)為壓氣機(jī)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和改型提供了一個(gè)有效工具。
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號】：TH45
【圖文】：

圖 1.1 跨聲速壓氣機(jī)內(nèi)復(fù)雜的流動構(gòu)型二十世紀(jì)中葉，科學(xué)家們就開始關(guān)注葉輪機(jī)械內(nèi)的非定常流時(shí)客觀條件，只能進(jìn)行一些簡單的理論計(jì)算，設(shè)計(jì)者所依靠實(shí)驗(yàn)積累而來的經(jīng)驗(yàn)公式以及相當(dāng)簡化的 Navier-Stokes 方程光多普勒( LDV )測速儀、激光粒子測速儀（PIV）等先進(jìn)測顯示技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展，實(shí)驗(yàn)在幫助工程師了解葉輪機(jī)械內(nèi)，作用越加明顯。但是實(shí)驗(yàn)測量成本高、投資大、獲得結(jié)果葉高速旋轉(zhuǎn)的特性以及葉輪機(jī)械本身緊湊的結(jié)構(gòu)，使得測試當(dāng)困難，對動葉流場中的物理量一般只能間接測量，因而很準(zhǔn)確的流場，比如頂部間隙內(nèi)的三維流場。而且，實(shí)驗(yàn)通常相似條件，存在著不可消除的外在意外干擾。方面，經(jīng)過近幾十年的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)為葉輪機(jī)械研究個(gè)可以方便研究流場細(xì)節(jié)的手段。采用數(shù)值方法來分析壓氣動細(xì)節(jié)及局部損失機(jī)制，并依此作為設(shè)計(jì)和改進(jìn)的依據(jù)，可設(shè)計(jì)效率并降低成本。數(shù)值模擬已經(jīng)成為研究葉輪機(jī)械內(nèi)部

1. 進(jìn)口導(dǎo)葉，2. 轉(zhuǎn)子葉片，3. 靜子葉片圖 1.2 多級軸流壓氣機(jī)示意圖機(jī)三維數(shù)值模擬的研究進(jìn)展輪機(jī)械三維定常/非定常流動的數(shù)值方法近年得到了迅速軟件如 CFX、Numeca 等都有專門的葉輪機(jī)械流場數(shù)值至優(yōu)化設(shè)計(jì)的模塊，這在一定程度上說明葉輪機(jī)械流場成熟。然而，由于葉輪機(jī)械尤其是壓氣機(jī)內(nèi)流動的復(fù)雜在很多情況下還不能對流場，尤其是非定常流場做出準(zhǔn)各研究機(jī)構(gòu)和航空發(fā)動機(jī)生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)并仍將發(fā)展各具定常和非定常流動的專業(yè)軟件。專業(yè)軟件有源代碼，因展性等方面具有商業(yè)軟件不可替代的優(yōu)勢。更重要的是含了設(shè)計(jì)者，使用者和軟件開發(fā)人員的寶貴經(jīng)驗(yàn)，這些展壓氣機(jī)流場計(jì)算方法是十分重要的。本節(jié)將綜述壓氣

圖 1.3 壓氣機(jī)內(nèi)一級示意圖和總壓損失系數(shù)的表達(dá)式均可由熱力學(xué)理論得到數(shù)時(shí)，常針對熱力系統(tǒng)，并假定流動是準(zhǔn)一維定題時(shí)，這些關(guān)系也可以根據(jù)流線上的廣義伯努利方表明這些參數(shù)可直接應(yīng)用于非定常流動。但事實(shí)上定常效應(yīng)的壓氣機(jī)性能時(shí)，也經(jīng)常被用到。這時(shí)我述了某一流體質(zhì)點(diǎn)在其運(yùn)動過程中與其初始狀態(tài)。無論是應(yīng)用于準(zhǔn)一維流動還是多維定常和非定共同點(diǎn)，即它們通過比較某一熱力學(xué)狀態(tài)與其初始機(jī)的性能。因此它們反映的是壓氣機(jī)性能的累積式的絕熱效率和總壓損失系數(shù)中得到清楚的顯示失系數(shù)為例，根據(jù)式 (1-5)，Δ s越大，總壓損失就 3 和位置 2 之間熵的增加。 Δ s如果較大，我們知道間（多維情況應(yīng)理解為沿流線或者跡線從位置 2失區(qū)域，但在位置 3 的局部損失（熵產(chǎn)）不一定

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 程榮輝;軸流壓氣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展[J];燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究;2004年02期

本文編號：2759349