【摘要】：對壓氣機旋轉(zhuǎn)失速機理的研究和認識，進而實現(xiàn)對其進行控制，對于提高航 空發(fā)動機及其它燃氣輪機的性能和可靠性具有重要意義。本文研究工作的目的就 是，發(fā)揮數(shù)值模擬相對于實驗研究的特殊作用，探索壓氣機旋轉(zhuǎn)失速發(fā)生和發(fā)展 過程中葉片通道內(nèi)部的流體力學機制。 這項工作除了對計算機資源要求很高和需要適用的、相對精確的計算流體力 學方法和程序外，難度主要在于對復雜物理現(xiàn)象數(shù)值模擬的算法選擇、各種限定 條件的設(shè)定以及實用的計算結(jié)果分析方法。本文在非定常Navier-Stokes方程的 框架內(nèi)，采用了能模擬流動失穩(wěn)瞬態(tài)過程的節(jié)流閥模型，對系統(tǒng)的非定常特性、 對葉片通道的周向(葉片數(shù))和軸向(單級和單轉(zhuǎn)子及其上下游)域進行了充分的計 算比較，分別實現(xiàn)了對一臺三級低速軸流壓氣機中單級二維旋轉(zhuǎn)失速過程和單轉(zhuǎn) 子三維旋轉(zhuǎn)失速過程的數(shù)值模擬。在對計算結(jié)果的分析中，采用了可與實驗觀測 類比的數(shù)字傳感器方法，不僅可以再現(xiàn)失速先兆的發(fā)展過程，而且實現(xiàn)了失穩(wěn)過 程中葉片載荷動態(tài)特性的分析。 對于失速先兆特性的模擬，沒有外加人工擾動，壓氣機第一級二維計算的先 兆類型為模態(tài)波型，而單轉(zhuǎn)子和拉開軸向間隙的單級二維計算模擬給出的是突發(fā) 型失速。失速類型的差異，說明在級環(huán)境中靜葉對動葉通道內(nèi)小尺度擾動有抑制 作用，去掉靜葉或者拉開軸向間隙有利于突發(fā)型先兆的發(fā)展，因此在該壓氣機第 一級孤立轉(zhuǎn)子的三維計算中，同樣得到了突發(fā)型失速先兆結(jié)果。具有頂部間隙的 三維計算還表明，間隙泄漏渦的發(fā)展對突發(fā)型失速先兆的產(chǎn)生起主導作用。 分析失速過程的通道內(nèi)部流場，對于單級二維計算所模擬的模態(tài)波型失速， 在節(jié)流過程中，從開始時所有葉片吸力面同時產(chǎn)生分離，到失速過程中逐漸出現(xiàn) 的周向不均勻流場，最后連續(xù)發(fā)展為具有4至5個葉片通道周向尺度的失速團。 而在單轉(zhuǎn)子三維計算中，從每個通道幾乎相同的流動狀態(tài)，在幾個轉(zhuǎn)子周期內(nèi)， 泄漏渦的位置向上游和相鄰葉片壓力面運動，泄漏渦的增長會集中到2至3個通 道，呈現(xiàn)出對應(yīng)于突發(fā)型失速先兆到失速團的加速過程；在此過程中，失速團還 經(jīng)歷了徑向遷移、軸向擴展和周向傳播的三維空間結(jié)構(gòu)變化。 上述二維和三維計算中，為了研究失速過程中葉片通道內(nèi)部的流體力學機 制，不但采用了壓力分布、速度分布、粒子示蹤和油流圖等分析方法，得到回流 區(qū)、堵塞、分離渦、項部泄漏渦等流場的變化細節(jié)；還通過沿動葉弦向布置的數(shù) 字傳感器，分析了葉片載荷即通道內(nèi)部動態(tài)壓力的變化。從失速前各通道基本相 同的鋸齒波，在單級二維計算所模擬的模態(tài)波型失速中，一部分通道的鋸齒波幅 度變小，此后變化幅度慢慢增強并在連續(xù)發(fā)展到失速團后穩(wěn)定下來；而在單轉(zhuǎn)子 摘要 三維計算中突發(fā)型先兆出現(xiàn)后，鋸齒波破壞的情況要嚴重得多，一部分通道甚至 出現(xiàn)壓力面的壓力小于吸力面。 數(shù)值模擬結(jié)果與壓氣機實驗數(shù)據(jù)進行的比較表明，計算與實驗的特性線符合 較好，單轉(zhuǎn)子三維計算與壓氣機三級實驗中第一級轉(zhuǎn)子在失速先兆類型、失速團 個數(shù)以及先兆和失速團傳播速度的變化趨勢等方面一致，并且數(shù)值失速過程中動 葉通道內(nèi)部動態(tài)壓力的變化與實驗結(jié)果也很接近。
【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】：2004
【分類號】：TH45
【圖文】：

二維計算網(wǎng)格(葉片通道內(nèi)及動靜葉滑移面附近)

轉(zhuǎn)子輪毅和葉片表面的計算網(wǎng)格

圖5.30多通道非定常計算，失速過程中5個時間步下葉片吸力面上的油流顯示(無頂部間隙)00一O一一O一Zd0.380.400.420.440460480.500.520.540.560.580.600.62F!OU甘COeffiCient…l|門JJ1|十0.3005550505|5544332乃‘1000八U00000村Ua一O一七00005一比巴二SSejd.

【引證文獻】

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本文編號：2793783