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高压比离心压气机叶型优化与数值研究

作　者: 柳子昂
导　师: 葛宁
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 航空宇航推进理论与工程
关键词: 离心压气机数值模拟双重分流叶片非定常相延迟方法区域比例法
分类号: V235.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

高功重比的涡轴发动机通常采用轴流/离心组合压气机作为空气压缩系统，而离心压气机内部的流动非常复杂，使得高压比、高效率离心压气机的设计既是重点又是难点。因此，分析离心压气机内部流动，研究其内部损失机理，并进一步提出叶型优化方法，对提高高压比离心压气机性能具有重要意义。本文首先对Karin跨音叶轮进行数值模拟和分析，进而提出了叶型优化方法。进口叶根叶片角采用大攻角可以降低二次流强度，进口叶尖叶片角采用小攻角可以降低吸力面膨胀波强度。在跨音叶轮中应尽量减小进口厚度，以抑制滞止作用和局部加速，且叶片最大厚度位于50%—70%相对弧长处，离心叶轮的性能更好。随后，针对Krain叶轮分流叶片造成的局部加速和流动堵塞对主叶片载荷的影响，提出了一种双重分流叶片离心叶轮的改进方法，新叶轮与原叶轮压比相近，但绝热效率提高了1.6%，而双重分流叶片叶轮有效长度小于原叶轮，可以有效的降低离心叶轮的重量。其次，通过对Ziegler叶轮与楔型、NACA65叶型和双圆弧叶型扩压器的匹配数值研究，得出了在设计点附近，NACA65叶型的等熵效率最高，并且稳定工作范围最大，而双圆弧叶型扩压器能适应高马赫数来流。在此基础上，调整了NACA65叶型扩压器的稠度，验证了低稠度扩压器能够扩大离心压气机的稳定工作范围，得出了最佳的稠度取值应该在0.6到0.85之间。最后，本文分别采用相延迟方法和区域比例法对Ziegler叶轮与两种不同径向间距下的楔形扩压器进行了非定常数值模拟，得到了叶轮—扩压器之间的非定常相互扰动数值结果，在与实验结果进行对比后，发现虽然计算值与实验值在量值上有微小差别，但是在趋势上保持一致，且区域比例法更接近实验结果，这两种方法均可有效的模拟离心压气机中的非定常扰动。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-11
注释表  11-12
第一章绪论  12-23
  1.1 研究背景及意义  12-13
  1.2 离心压气机叶轮叶片造型技术及相关研究  13-19
    1.2.1 叶轮叶片造型技术  14-15
    1.2.2 几何参数对离心叶轮性能的影响  15-19
  1.3 离心压气机扩压器叶片造型技术及相关研究  19-20
  1.4 离心压气机叶轮/扩压器匹配研究进展  20-22
  1.5 本文研究内容  22-23
第二章基于 ANSYS 叶片造型模块的离心压气机叶片造型  23-31
  2.1 ANSYS 叶片造型模块简介  23-24
  2.2 基于 ANSYS 叶片造型模块的离心叶轮叶片造型  24-27
    2.2.1 一维初始计算  24
    2.2.2 叶片造型方法  24-25
    2.2.3 叶片角分布的确定  25-26
    2.2.4 周向角的确定  26
    2.2.5 厚度分布的确定  26-27
  2.3 基于 ANSYS 叶片造型模块的扩压器叶片造型  27-30
    2.3.1 楔型扩压器  27-28
    2.3.2 单元弧型扩压器  28
    2.3.3 双圆弧型扩压器  28-30
  2.4 本章小结  30-31
第三章数值模拟方法校核  31-37
  3.1 前言  31
  3.2 数值模拟对象  31-32
  3.3 数值模拟的方法  32-33
    3.3.1 控制方程  32
    3.3.2 湍流模型  32
    3.3.3 计算网格  32
    3.3.4 边界条件和初场  32-33
  3.4 数值模拟方法校核——Krain 跨音叶轮的数值模拟和分析  33-35
    3.4.1 性能曲线  33
    3.4.2 静压分布  33-34
    3.4.3 出口相对马赫数分布  34-35
    3.4.4 总温比和叶轮进口轴向速度  35
  3.5 本章小结  35-37
第四章离心压气机叶型优化研究  37-60
  4.1 进口叶片角分布对离心叶轮性能的影响  37-41
    4.1.1 进口叶根叶片角分布  37-40
    4.1.2 叶尖叶片角分布  40-41
  4.2 厚度分布对离心叶轮性能的影响  41-44
  4.3 一种双重分流叶片离心叶轮的造型与数值模拟  44-48
    4.3.1 离心叶轮的造型  44-45
    4.3.2 数值模拟结果及分析  45-48
  4.4 不同叶型扩压器与离心叶轮匹配的定常分析  48-55
    4.4.1 几何模型和网格划分  49-50
    4.4.2 数值模拟结果及分析  50-55
  4.5 低稠度叶片扩压器扩稳研究  55-58
    4.5.1 研究对象和网格划分  55
    4.5.2 计算结果与分析  55-58
  4.6 本章小结  58-60
第五章离心叶轮与扩压器匹配的非定常研究  60-83
  5.1 研究对象  60-61
  5.2 非定常数值方法  61-64
    5.2.1 相延迟法  61-63
    5.2.2 区域比例法  63-64
  5.3 叶轮—扩压器匹配工作的整体性能比较与分析  64-71
  5.4 叶轮—扩压器之间相互作用的定常和非定常比较与分析  71-81
    5.4.1 叶轮出口的流场分析  71-77
    5.4.2 扩压器进口流场分析  77-81
  5.5 本章小结  81-83
第六章总结和展望  83-85
  6.1 总结  83-84
  6.2 展望  84-85
参考文献  85-90
致谢  90-91
在学期间的研究成果及发表的学术论文  91

高压比离心压气机叶型优化与数值研究

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