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关于应用缘线匹配最大化时序效应潜能的初探

作　者: 闫朝
导　师: 徐建中
学　校: 中国科学院研究生院（工程热物理研究所）
专　业: 工程热物理
关键词: 叶轮机械缘线匹配非定常流型非定常气动设计时序效应
分类号: TK14
类　型: 博士论文
年　份: 2004年
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内容摘要

非定常流和非定常设计是当前叶轮机械气动热力学领域研究的焦点之一。因此，本文尝试性地论述了非定常设计的两个重要组成：非定常流型和缘线匹配，并对它们进行了初步研究。由于叶轮机非定常实验的困难，CFD方法成为研究非定常流动的主要手段。本文以编制叶轮机流动时间精确模拟程序为开端，进行了以下研究工作：一、作为实现非定常设计的软件基础，开发了能够对叶轮机内部流动进行多排、多通道时间精确模拟的二维和三维计算程序。鉴于缺乏相关的非定常实验数据，采用商业CFD软件FLUENT和NUMECA分别与二维和三维程序进行了互校。在应用于流动研究前，对所开发程序进行了网格无依赖和物理时间步长无依赖两个方面的研究，确定出适当的网格和物理时间步长配置。结果表明，所开发程序应用于叶轮机非定常流求解具有令人满意的精度。二、非定常流型是叶轮机非定常气动设计中二维层面的重要技术，论文采用二维数值方法初步研究了这一问题。研究以一涡轮叶栅基元为对象，通过在入口边界施加非定常条件来模拟叶轮机内的非定常环境，结果显示了流动的非定常性对叶栅性能的影响，并与定常、准定常环境下的叶栅性能进行了对比，得出了尾迹亏损程度、进气角度和尾迹移动速度等因素影响叶栅性能的规律。此外，还对叶栅的升力滞回现象做出初步研究。以上工作初步展示了未来关于叶轮机非定常流型研究方面的部分内容。三、二维时序效应属于非定常流型研究中的一个重要部分，论文通过对1.5级静／动／静布局的涡轮叶栅进行数值模拟，首先对时序效应进行了现象及机理研究；其后探索了叶排间轴向间距和动叶转速对时序效应的影响，发现两种因素均会给时序效应带来一些新的现象，比如时序效应提升效率潜力的变化，尾迹输运时间的变化等等。这一研究在促进对时序效应流动机理的认识继续深入的同时，进一步细化了时序效应的研究，为三维时序研究和应用提供有益的指导。四、缘线匹配是叶轮机非定常气动设计三维层面上用于多排排间匹配的重要技术，也是本文的主要内容。因此，论文首先全面介绍了缘线匹配的理论基础、两种应用方式摘要及其初步验证。然后，作为对该理论继续验证和应用的实例，首次将时序效应纳入缘线匹配框架之下，利用缘线匹配思路进一步拓展了时序效应潜力。通过修改二级静叶的根、尖相位组合和修改一、二级静叶叶尖相位组合两种方式，使研究对象的气动效率在从时序效应受益的基础上进一步获得提升。研究以三维CFD程序为工具，采用缘线匹配应用中最为耗时的全优化方式，综合预估了包括效率在内的代表叶轮机性能的多种参数的时均量和脉动量，显示出缘线匹配这一设计自由度在非定常设计体系中所起到的重要作用。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-12
第一章绪论  12-40
  1.1 课题背景  12-14
  1.2 叶轮机械流动物理模型和设计体系的发展  14-20
    1.2.1 一维经验和二维半经验设计体系  15-16
    1.2.2 准三维设计体系  16
    1.2.3 三维设计体系  16-18
    1.2.4 时均(准四维)设计体系  18-20
  1.3 叶轮机非定常流动  20-33
    1.3.1 非定常流动的表观物理特征  20-21
    1.3.2 叶轮机非定常流动的来源  21-25
    1.3.3 叶轮机非定常流动研究现状  25-33
  1.4 叶轮机非定常气动设计策略初步诠释  33-37
  1.5 本文工作  37-40
    1.5.1 研究目的和方法  37-38
    1.5.2 内容概要  38-40
第二章缘线匹配理论及方法  40-61
  2.1 引言  40-41
  2.2 来自定常设计过程的启示  41-43
  2.3 缘线匹配理论  43-54
    2.3.1 缘线形状选取  44
    2.3.2 相邻叶排的缘线匹配  44-54
  2.4 缘线匹配应用方法  54-58
    2.4.1 基元流动展向积分方式下的应用方法  54-57
    2.4.2 全优化方式下的应用方法  57-58
  2.5 缘线匹配的初步验证  58-59
  2.6 小结  59-61
第三章非定常流研究的二维数值方法  61-95
  3.1 引言  61-62
  3.2 基本方程  62-63
  3.3 叶轮机基本方程的变形  63-64
  3.4 湍流模型  64-68
    3.4.1 BALDWIN-LOMAX模型  64-65
    3.4.2 B-L模型用于叶轮机内部流动  65-68
  3.5 数值方法  68-82
    3.5.1 定常流动控制方程的离散  69-75
    3.5.2 非定常算法的实现  75-78
    3.5.3 加速收敛技术  78-79
    3.5.4 初始条件和边界条件  79
    3.5.5 计算网格  79-80
    3.5.6 多排叶栅网格及排间处理技术  80-82
  3.6 程序无依赖研究  82-89
    3.6.1 网格无依赖研究  82-86
    3.6.2 物理时间步长无依赖研究  86-89
  3.7 程序校验  89-94
  3.8 小结  94-95
第四章有关非定常流型的初步研究  95-118
  4.1 引言  95-96
  4.2 研究方法  96-101
    4.2.1 物理模型  96-97
    4.2.2 数值方法  97-100
    4.2.3 比较方法  100-101
  4.3 计算结果与分析  101-116
    4.3.1 入口总压亏损的影响  101-107
    4.3.2 进气角度的影响  107-112
    4.3.3 上游尾迹移动速度的影响  112-116
  4.4 小结  116-118
第五章二维时序效应研究  118-139
  5.1 引言  118
  5.2 研究对象  118-122
  5.3 研究方法  122-128
    5.3.1 数值方法  122
    5.3.2 计算网格  122-123
    5.3.3 计算过程  123-128
    5.3.4 结果处理  128
  5.4 结果分析  128-136
    5.4.1 轴向间距的影响  128-134
    5.4.2 动叶转速的影响  134-136
  5.5 小结  136-139
第六章非定常流三维数值方法  139-166
  6.1 引言  139-140
  6.2 基本方程  140-142
  6.3 湍流模型  142-144
  6.4 数值方法  144-150
    6.4.1 控制方程的空间离散  144-145
    6.4.2 数值粘性  145-146
    6.4.3 控制方程的时间积分  146
    6.4.4 非定常算法的引入  146-147
    6.4.5 初始条件和边界条件  147-148
    6.4.6 计算网格  148-150
  6.5 程序无依赖研究  150-161
    6.5.1 网格无依赖研究  151-156
    6.5.2 物理时间步长无依赖研究  156-161
  6.6. 程序校验  161-164
  6.7 小结  164-166
第七章缘线匹配下时序效应的应用  166-215
  7.1 引言  166-168
  7.2 三维时序效应研究  168-184
    7.2.1 物理对象  168-170
    7.2.2 研究方法  170-171
    7.2.3 计算过程  171-173
    7.2.4 时序研究结果及尾迹  173-181
      7.2.4.1 三维效率变化  173-175
      7.2.4.2 尾迹的影响   175-181
    7.2.5 以往时序效应研究的缺陷  181-184
  7.3 缘线匹配应用方式1-修改二级静叶的根、尖相位组合  184-206
    7.3.1 方案的提出  184-187
    7.3.2 三维效率分析  187-201
      7.3.2.1 最佳时序原型OH和改进方案C(-0.2,0.2)的对比  188-189
      7.3.2.2 最高效率方案A(-0.2,0,1)和方案C(-0.2,0.2)的对比   189-201
    7.3.3 其余性能参数  201-206
  7.4 缘线匹配应用方式2-修改一、二静叶的叶尖相位组合  206-213
    7.4.1 方案的提出  206-208
    7.4.2 三维效应  208-209
    7.4.3 其余性能参数  209-213
  7.5 小结  213-215
第八章论文总结与展望  215-223
  8.1 论文总结  215-218
  8.2 研究展望  218-223
主要符号对照表  223-226
参考文献  226-238
发表论文  238-239
致谢  239-240

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