压气机跨声速转子大涡数值计算方法研究

摘要

压气机内部的流动是固有非定常的，作为航空发动机的重要部件之一，压气机对航空发动机的性能、安全、稳定性都有重要的影响。深入研究压气机内部的复杂流动，揭示其非定常流动机理，可提供必要的分析方法和理论依据，对压气机的设计有着重要的指导意义。
　　本文计算采用的是课题组自主开发的大涡模拟代码，程序中引入了六阶WENOSYM格式和中心紧致差分格式、双时间步隐式时间推进以及相位延迟技术。分别对平板边界层的自然转捩过程、入射斜激波与湍流边界层相互干扰和某跨音速压气机的1.5级进行了数值模拟。
　　首先，引入层流Blasius解叠加T-S扰动波入口边界条件，模拟了平板边界层的自然转捩过程。分析了发卡涡、涡环、涡链的生成过程，次生流向涡的产生机理以及发卡涡的涡腿并不是完整对称的原因，揭示了发卡涡周围的上喷下扫运动和高低速条带现象，次生涡与壁面相互作用诱导更小的涡生成，如此反复直至湍流的猝发。
　　然后，采用比例缩放法给出湍流进口边界条件，探讨了入射斜激波与湍流边界层相互作用的机理。对入射激波、反射激波、分离区的相互干扰过程以及激波诱导边界层分离进行了详细地阐述。
　　然后，本文对某跨声速1.5级压气机的内部流场进行了计算。定常计算对比了不同出口反压流场的变化，准确地获得了压气机的总体性能参数。非定常计算中分别对尾迹与主流区的掺混、转子通道激波与附面层的相互干扰过程、激波在导叶通道中的传播以及转静干涉现象进行了阐述，并发现转子前缘斜激波周期性地冲击进口零级导叶尾缘，产生很强的激振力，极易产生高周疲劳。

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注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 数值方法

1.3 边界层转捩

1.4 跨声速压气机的非定常流动

1.5 本文研究内容

第二章 大涡模拟控制方程

2.1 直角坐标系下的三维可压缩N-S方程

2.2 控制方程的空间滤波

2.3 亚格子模型

2.4 本章小节

第三章 数值方法及边界条件

3.1 有限体积法

3.2 方程的空间离散

3.3 方程的时间推进

3.4 网格生成及并行计算

3.5 边界条件设置

3.6 相位延迟法

3.7 本章小节

第四章 平板边界层转捩的大涡模拟

4.1 计算设定

4.2 计算结果分析

4.3 转捩过程的典型涡系结构

4.4 转捩过程的重要现象分析

4.5 本章小节

第五章 入射斜激波与附面层相互干扰

5.1 几何模型与边界条件

5.2激波结构分析

5.3 平均流场分析

5.4 本章小结

第六章 大涡模拟在跨声速压气机中的应用

6.1物理模型与网格

6.2定常计算结果分析

6.3非定常计算结果分析

6.4 跨音速压气机的转/静干涉作用

6.5 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文