不同湍流模型在跨声速压气机数值模拟中的应用研究

作     者：孙召政 

作者单位：北方工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：闫文辉

授予年度：2024年

学科分类：082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 08[工学] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：跨声速压气机 PAFV湍流模型 数值计算 侧偏平均 湍流模型 

摘      要：高负荷跨声速压气机是航空发动机的核心部件之一。在跨声速压气机的流动中存在着非定常叶尖泄漏涡、激波/湍流边界层干扰、多级压气机级间干扰等复杂现象。通过实验研究可以掌握压气机的一些关键数据,但是由于压气机内部流场的复杂性,此类实验不仅非常昂贵,并且大多数情况下无法获得剧烈变化流场中的流动细节。因此,计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)越来越多的被应用于叶轮机的设计及性能预测中。考虑工程计算的时效性和经济性的情况下,雷诺平均(Reynolds Average Navier-Stokes,RANS)方法仍然是实际工程中求解Navier-Stokes方程的主流方法。其中湍流模型是影响RANS方法准确性的关键因素之一,因此针对性地发展高效湍流模型具有十分重要的意义。 为提高跨声速压气机流场的计算精度,本文基于侧偏平均脉动速度和平均应变率张量构造的侧偏平均脉动速度湍流模型PAFV,编写了相应的CFD计算程序。为了验证PAFV湍流模型对跨声速压气机计算的适用性,首先基于Open FOAM平台对NACA4412和NACA0012翼型绕流问题进行了数值计算,验证了PAFV湍流模型在数值计算中的适用性;其次,基于PAFV模型使用Python语言编写了CFD计算程序,数值计算中,将控制方程在一般曲线坐标系下变换,控制方程的空间离散采用有限差分法进行。为了提高计算的精确性和稳定性,应用StegerWarming通量向量分裂法处理对流项,扩散项采用二阶中心差分格式离散,时间导数项采用具有TVD性质的三阶Runge-Kutta方法离散。在此基础上,对德国航空航天研究试验院的L030-4叶栅跨声速流动进行了计算,验证了CFD计算程序的准确性及适用性;在上述验证的基础上,进一步对三维NASA Rotor 67跨声速压气机转子流动进行了数值计算,对比了S-A、SST、k-ε、PAFV四种湍流模型对跨声速压气机流场计算的影响。 经过上述计算,结果表明:PAFV湍流模型能够较为准确地预测翼型绕流等问题,对跨声速叶栅通道内的跨声速流动能够作出准确的模拟,叶栅通道内的激波现象与实验纹影图十分吻合。在跨声速压气机Rotor 67的数值计算中,综合对比实验数据和四种湍流模型的计算结果,S-A、SST、k-ε、PAFV四种湍流模型基本都能对跨声速压气机的性能和流场进行较为准确的预测。PAFV湍流模型在计算压比曲线时和SST结果相似,而在效率曲线上则比其他三种湍流模型稍差;SA、SST湍流模型是针对航空领域计算特点建立的常用模型,计算稳定性较好,两种湍流模型的计算结果相近;k-ε湍流模型计算的压比、效率最接近实验数据,但由于k-ε湍流模型不能很好的捕捉近壁面高剪切应力区域的流动特征等,其对近壁面附近流场细节的计算不理想;PAFV湍流模型使用侧偏平均脉动速度作为湍流速度尺度,在激波附近区域,由于脉动速度受到了抑制,湍流黏性也受到了抑制,避免了激波区域出现的过大的湍流黏性。此外,侧偏平均脉动速度本身具有输运特性和各向异性的特点,对于具有各向异性和非当地平衡型的跨声速压气机内激波/湍流边界层干扰流动适用性较好。