多级压气机三维流场数值模拟研究

摘要

随着计算流体力学和现代优化计算方法的飞速发展,叶轮机械的数值模拟技术得到了快速发展。但是多级压缩机的数值模拟仍然是一个具有挑战性的研究领域,发展一套在计算速度和精度上都满足工程设计需要的气动数值模拟方法是非常必要的。
　　 为满足压气机工程设计对三维粘性流体力学计算软件的要求,本文研究了针对多级压气机的三维粘性流场计算方法,对某型多级压气机进行了气动性能计算。
　　 对于压气机进排气涡壳部分,基于三维粘性流动计算软件Fluent,采用结构化/非结构化的混合网格类型,以三维时均Navier-Stokes方程和标准的κ-ε两方程湍流模型为基础,采用SIMPLE算法,对轴向蜗壳的系统进行全流道三维数值模拟。
　　 对于压气机通流部分,基于三维粘性流动计算软件Numeca,采用Jameson的有限体积差分格式并结合Spalart-Allmaras湍流模型对相对坐标系下的三维雷诺平均纳维斯托克斯方程进行求解,采用显式四阶Runge-Kutta法时间推进以获得定常解。为提高计算效率,采用了多重网格法、当地时间步长和残差光顺等加速收敛措施。重点分析了不同转速下近失速点,最高效率点和近阻塞点等几个典型工况点的流场特性。并对于计算中经常遇到的问题:叶顶间隙和附面层转捩两个问题对压气机性能的影响进行了对比分析,通过对比得出:间隙内的流动使得转子叶顶处出口相对气流角有较大的改变,从而使得转子的做功能力下降,效率和压比均降低,在计算中去掉间隙后,压气机的流量,效率都会增加,由于改变了实际模型的结构,结果相对偏差较大,但使得计算变得易于收敛,还会使的计算时间大大缩短;加入转捩后可以更好的模拟叶片表面处的流动,并且从计算的结果来看对于Reynotds较大的情况下转捩的影响不大;从计算时间来看,不会增加计算的难度,但为了使工作时间有所延长,需在已完成收敛的结果上,进行更多的转捩计算。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:符号表

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 流体机械数值模拟研究进展

1.2.1 蜗壳内部数值模拟研究进展

1.2.2 多级压气机内流场数值模拟研究的历史和现状

1.3 基本方程与数值方法

1.3.1 流体力学控制方程

1.3.2 湍流模型

1.3.3 基于有限体积法的离散方法

1.3.4 压力修正算法

1.4 本文的研究目的和内容

第2章 蜗壳内流动的数值模拟

2.1 进气涡壳与排气蜗壳内流场的数值计算与分析

2.1.1 网格生成

2.1.2 计算域与边界条件

2.1.3 进气蜗壳计算结果分析

2.1.4 排气蜗壳计算结果分析

2.2 本章小结

第3章 多级压气机内流动的数值模拟

3.1 湍流模型与数值方法

3.1.1 基本控制方程

3.1.2 湍流模型的选取

3.1.3 控制方程组的离散

3.1.4 加速收敛的措施

3.2 多级压气机内流场的数值计算与分析

3.2.1 计算网格

3.2.2 基本输入参数

3.2.3 计算总体结果与分析

3.2.4 具体流场分析

3.2.5 母型机变工况性能计算

3.3 多级压气机内三维流动计算的若干问题

3.3.1 轴流压气机叶顶间隙对性能的影响

3.3.2 计算中加入附面层转捩对性能的影响

3.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢