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采用多层次优化方法的超紧凑GTF增压级气动设计

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航空动力学报 2023年第5期38卷 1226-1238页

作者：黄松赵胜丰阳诚武李子良卢新根中国科学院工程热物理研究所轻型动力重点实验室北京100190 中国科学院中国科学院大学北京100049 中国科学院轻型动力创新研究院北京100190

为克服超紧凑齿轮传动涡扇(GTF)发动机增压级优化设计面临的高维、耗时、黑箱三大难题,发展了一套精准高效可靠的优化设计方法,运用多目标粒子群算法结合下降单纯形算法的多层次优化策略,具有优化变量少、求解速度快、寻优能力强的优势... 详细信息

为克服超紧凑齿轮传动涡扇(GTF)发动机增压级优化设计面临的高维、耗时、黑箱三大难题,发展了一套精准高效可靠的优化设计方法,运用多目标粒子群算法结合下降单纯形算法的多层次优化策略,具有优化变量少、求解速度快、寻优能力强的优势。优化设计后,GTF增压级在100%设计转速下的峰值效率和失速裕度分别提升0.27%和1.31%。相比于复合弯掠高负荷静子原型,高负荷静子优化构型通过改变整个展向的叶型特征和三维积叠规律,使得自20%叶展至叶尖的流动分离向下游移动,减少由叶尖向轮毂的径向迁移和吸力面尾缘附近低速回流区域的范围,延缓了GTF增压级失速的发生,提升了GTF增压级的效率。

关键词：齿轮传动涡扇(GTF) 增压级多目标粒子群算法多层次优化峰值效率

低雷诺数下前缘形状耦合压力梯度调控附面层机理研究

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西安交通大学学报 2023年第11期57卷 206-216页

作者：徐华锋王名扬赵胜丰韩戈罗乔丹中国科学院工程热物理研究所北京100190 中国科学院大学航空宇航学院北京100049 中国科学院轻型动力创新研究院北京100190

为深入了解低雷诺数下增压级正交叶片叶型表面的流动特性,发展高效的附面层调控策略,以高负荷增压级正交叶片某一截面处的叶型为研究对象,通过高精度参数化方法对该叶型进行改型设计。利用数值模拟手段,研究了低Re(Re=1.0×105)下层流... 详细信息

为深入了解低雷诺数下增压级正交叶片叶型表面的流动特性,发展高效的附面层调控策略,以高负荷增压级正交叶片某一截面处的叶型为研究对象,通过高精度参数化方法对该叶型进行改型设计。利用数值模拟手段,研究了低Re(Re=1.0×105)下层流分离及转捩对不同叶型的响应特性,阐明了前缘形状及叶片压力梯度对典型增压级叶型附面层发展的调控机制。结果表明:前缘压力尖峰和前加载压力梯度分布均能够有效抑制低Re下分离泡发展,消弱近壁区回流强度,将设计工况点叶型损失分别降低12.4%和12.5%,同时拓宽了低损失攻角范围;前缘压力尖峰耦合前加载压力梯度分布同时继承了上述优点,能够更大限度地提升低雷诺数下叶型的气动性能。相比于原始叶型,设计工况点叶型损失降低18.9%。该研究结果为低Re下增压级叶型的气动设计和流动调控提供有益借鉴。

关键词：低雷诺数增压级前缘压力尖峰载荷分布附面层

壁面换热条件下高负荷压气机叶片分离剪切层转捩机理研究

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工程热物理学报 2023年第9期44卷 2376-2389页

作者：王名扬阳诚武赵胜丰张燕峰卢新根中国科学院工程热物理研究所/轻型动力重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

本文采用大涡模拟(LES)方法研究了低雷诺数(Re=1.5×10^(5))下不同壁面条件(绝热壁和等温冷却壁)对两种不同负荷水平的压气机叶片(IET-ULF1和IET-ULF2)分离剪切层转捩特性的影响。研究表明:壁面冷却减小了近壁气流运动黏性,削弱湍流耗... 详细信息

本文采用大涡模拟(LES)方法研究了低雷诺数(Re=1.5×10^(5))下不同壁面条件(绝热壁和等温冷却壁)对两种不同负荷水平的压气机叶片(IET-ULF1和IET-ULF2)分离剪切层转捩特性的影响。研究表明:壁面冷却减小了近壁气流运动黏性,削弱湍流耗散对分离剪切层应起的稳定作用。对于压气机叶片IET-ULF1,壁面冷却诱发剪切层更快失稳,显著加速转捩过程;对于具有更高负荷水平的叶片IET-ULF2,壁面冷却对转捩的调控效果相对较弱。分离剪切层下方回流掺混、大尺度三维发卡涡破碎以及近壁低能流体的“上喷–下扫”过程决定了湍流脉动水平和气动损失。当存在壁面冷却时,分离剪切层转捩过程涡动力学强度受到抑制,湍流脉动产生速率减小,延缓了边界层发展,IET-ULF1和IET-ULF2叶型损失分别降低18.2%和22.1%。

关键词：壁面换热压气机叶片分离剪切层转捩气动损失

低雷诺数下高负荷轴流压气机表面粗糙度流动调控机制

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航空动力学报 2022年第2期37卷 283-295页

作者：程泓智王名扬周创鑫赵胜丰卢新根朱俊强中国科学院工程热物理研究所轻型动力重点实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049 中国科学院轻型动力创新研究院北京100190

以某1.5级高负荷轴流压气机为研究对象,采用经过校核的数值模拟手段详细探究了低雷诺数下表面粗糙度对其气动性能及内部流场的影响。结果表明:相比于光滑叶片,表面粗糙度为137.8时压气机性能提升最为明显,总压比、堵塞流量以及峰值效率... 详细信息

以某1.5级高负荷轴流压气机为研究对象,采用经过校核的数值模拟手段详细探究了低雷诺数下表面粗糙度对其气动性能及内部流场的影响。结果表明:相比于光滑叶片,表面粗糙度为137.8时压气机性能提升最为明显,总压比、堵塞流量以及峰值效率分别提升4.01%、2.24%、5.34%。在整个表面粗糙度大小范围内,表面粗糙度布置在吸力面前缘至50%轴向位置时对分离、转捩的调控效果较好,能够较大限度地提升低雷诺数下压气机的气动性能。表面粗糙度通过促进转捩、抑制层流分离以及改变速度和静压分布来改善压气机流场和气动特性,同时一定程度上恶化了后面级的级间匹配关系,造成静子叶根处分离提前,角区分离加剧,限制了压气机整体气动性能的进一步提高。

关键词：叶片表面粗糙度低雷诺数高负荷轴流压气机峰值效率气动性能

雷诺数对跨声速压气机转子内部流动失稳触发机理的影响

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推进技术 2013年第1期34卷 25-30页

作者：赵胜丰卢新根朱俊强中国科学院工程热物理研究所/轻型动力重点实验室北京100190

利用带有先进转捩模型的数值模拟方法,对高低两种雷诺数下的跨声速压气机转子NASA Rotor67的内部流动进行了数值模拟。对比了不同雷诺数下叶片内部复杂三维流动,剖析了雷诺数影响风扇转子流动失稳的机制。研究发现:雷诺数降低使得叶片... 详细信息

利用带有先进转捩模型的数值模拟方法,对高低两种雷诺数下的跨声速压气机转子NASA Rotor67的内部流动进行了数值模拟。对比了不同雷诺数下叶片内部复杂三维流动,剖析了雷诺数影响风扇转子流动失稳的机制。研究发现:雷诺数降低使得叶片表面低能流体增多,径向迁移加剧,造成叶片顶部吸力面分离加剧;且雷诺数降低使得叶顶间隙泄漏流强度减弱,间隙泄漏流和主流相互作用造成的叶片顶部流场堵塞减弱。雷诺数通过上述两种作用影响压气机转子的失稳机制。

关键词：低雷诺数径向迁移间隙泄漏流低能流体

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高负荷离心压气机管式扩压器特点及机理分析

航空动力学报 2011年第3期26卷 649-655页

作者：王毅赵胜丰卢新根朱俊强中国科学院工程热物理研究所北京100190 中国科学院研究生院北京100190

以某高负荷离心压气机为研究对象,进行管式扩压器设计,借助于数值模拟的方法,对影响扩压器性能的重要参数———喉部面积进行参数化研究,并详细分析了管式扩压器特殊的进口结构对压气机内部流场的影响,初步探讨了管式扩压器喉部设计准则... 详细信息

以某高负荷离心压气机为研究对象,进行管式扩压器设计,借助于数值模拟的方法,对影响扩压器性能的重要参数———喉部面积进行参数化研究,并详细分析了管式扩压器特殊的进口结构对压气机内部流场的影响,初步探讨了管式扩压器喉部设计准则,摸清其提高效率扩大稳定工作范围的机理.

关键词：离心压气机管式扩压器高负荷喉部面积数值模拟

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高负荷离心压气机扩压器叶片前缘结构分析

推进技术 2011年第2期32卷 175-181页

作者：王毅卢新根赵胜丰朱俊强中国科学院工程热物理研究所北京100190 中国科学院研究生院北京100190

为拓宽离心压气机稳定工作范围,以某高负荷离心压气机为研究对象,对径向扩压器叶片前缘进行盘侧开槽处理,借助数值模拟手段,探讨了开槽处理对离心压气机性能和稳定工作范围的影响,并对开槽结构进行了参数化研究,确定了主要开槽参数对离... 详细信息

为拓宽离心压气机稳定工作范围,以某高负荷离心压气机为研究对象,对径向扩压器叶片前缘进行盘侧开槽处理,借助数值模拟手段,探讨了开槽处理对离心压气机性能和稳定工作范围的影响,并对开槽结构进行了参数化研究,确定了主要开槽参数对离心压气机的影响。数值计算表明,径向扩压器前缘盘侧开槽能够在一定程度上提高离心压气机的稳定工作裕度,但同时伴随着压气机性能的降低。详细对比分析了开槽结构引入前后离心压气机内部流场结构,揭示了径向扩压器叶片前缘开槽提高离心压气机稳定工作裕度机理。

关键词：离心压气机径向扩压器叶片开槽处理数值仿真稳定工作范围

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静叶轮毂间隙对高负荷压气机性能的影响研究

工程热物理学报 2020年第11期41卷 2662-2669页

作者：黄松阳诚武韩戈赵胜丰卢新根中国科学院工程热物理研究所轻型动力重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049

静叶轮毂间隙的改变显著影响轴流压气机的气动性能。本文以某1.5级高负荷轴流压气机为研究对象,采用经过校核的三维稳态数值模拟方法探究静子轮毂间隙大小和尾缘间隙长度对其气动性能的影响。研究发现:原型压气机在近失速工况点,静子近... 详细信息

静叶轮毂间隙的改变显著影响轴流压气机的气动性能。本文以某1.5级高负荷轴流压气机为研究对象,采用经过校核的三维稳态数值模拟方法探究静子轮毂间隙大小和尾缘间隙长度对其气动性能的影响。研究发现:原型压气机在近失速工况点,静子近轮毂区域吸力面发生流动分离,导致流动堵塞,引发压气机失速。随着轮毂间隙的增加,压气机的失速裕度先迅速增加后缓慢减小,峰值效率下降。在峰值效率工况点,原型静子近轮毂区域的流动整体良好,吸力面分离较小,轮毂间隙反而使得泄漏流增多,泄漏损失增加。而尾缘间隙相比于轮毂间隙,其对压气机的峰值效率恶化较小。随着尾缘间隙长度的增加,轮毂泄漏流增多,有效抑制了静子吸力面附近低能流体的堆积,改善了近轮毂区域的流场,提升了压气机的失速裕度。

关键词：尾缘间隙失速裕度高负荷轴流压气机轮毂泄漏流

基于贝塞尔曲面参数化方法的1.5级高负荷轴流压气机气动优化

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航空动力学报 2021年第4期36卷 673-686页

作者：周创鑫成金鑫黄松王名扬赵胜丰中国科学院工程热物理研究所轻型动力重点实验室北京100190 中国科学院大学北京100049 中国科学院轻型动力创新研究院北京100190

基于贝塞尔曲面参数化控制理论发展了一套高效的轴流压气机全局优化设计方法,通过在优化循环中改变转、静子叶片吸力面几何形状来得到优化解,具有优化变量少、物理直观性强及曲面光滑等优点。以某1.5级高负荷轴流压气机为研究对象,在Isi... 详细信息

基于贝塞尔曲面参数化控制理论发展了一套高效的轴流压气机全局优化设计方法,通过在优化循环中改变转、静子叶片吸力面几何形状来得到优化解,具有优化变量少、物理直观性强及曲面光滑等优点。以某1.5级高负荷轴流压气机为研究对象,在Isight平台上集成了贝塞尔曲面参数化程序、CFD求解器及多岛遗传算法来对其进行气动性能优化。结果表明:在总压比变化不超过±0.5%、流量不降低的约束条件下,优化后压气机设计点流量增大0.938%,等熵效率提高0.486%,综合裕度拓宽1.361%,验证了全局优化方法的有效性。

关键词：轴流压气机气动优化曲面参数化多岛遗传算法全局寻优