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航空发动机整机周向平均稳态仿真方法

航空动力学报 2022年第11期37卷 2598-2616页

作者：金东海梁栋刘晓恒张健成王森周成华戴宇辰桂幸民北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191 北京航空航天大学江西研究院南昌330096

自主发展了基于周向平均方法的航空发动机整机准三维数值仿真方法。基于Navier-Stokes方程,推导了周向平均的准三维通流模型控制方程,针对方程源项传统模型的不足,提出了考虑叶型影响的无黏叶片力模型、基于机器学习的压气机展向分布损... 详细信息

自主发展了基于周向平均方法的航空发动机整机准三维数值仿真方法。基于Navier-Stokes方程,推导了周向平均的准三维通流模型控制方程,针对方程源项传统模型的不足,提出了考虑叶型影响的无黏叶片力模型、基于机器学习的压气机展向分布损失模型和基于理论分析的周向不均匀性模型等,并完成了燃烧室的准三维建模,最终实现了航空发动机整机准三维稳态仿真。利用本文发展的整机周向平均稳态准三维仿真程序CAM完成了WP11涡喷发动机整机仿真,并与俄罗斯S2程序AES-S2的仿真结果进行了对比分析。结果表明,相比于俄罗斯S2程序AES-S2,所发展的周向平均准三维仿真程序CAM仿真精度更高,在WP11整机准三维仿真的设计点计算结果对比中,CAM计算的涡轮流量的误差比AES-S2的计算误差小8%以上,发动机推力误差小16%以上;收敛性更好,CAM计算的涡轮流量的振幅比AES-S2的计算结果的振幅小10%以上,CAM计算的发动机推力的振幅比AES-S2的计算结果的振幅小20%以上。

关键词：航空发动机周向平均准三维整机仿真建模

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周向平均形式的S_2流面计算

华中理工大学学报 1989年第3期17卷 39-43页

作者：吴克启区颖达钟原华中理工大学动力工程系

本文按照周向平均的方法,应用古川、井上给出的周向平均形式的平衡条件式,对翼形斜流叶轮考虑非轴对称时的S_2流面进行了计算,并将它与轴对称时的计算结果作了比较。

关键词：非轴对称周向平均斜流叶轮流面

基于周向平均Navier-Stokes方程涡轮通流计算与分析

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机械制造与自动化 2019年第5期48卷 88-92页

作者：滕攀舒杰杨荣菲葛宁南京航空航天大学能源与动力学院

基于时间推进有限体积法求解周向平均Navier-Stokes通流控制方程,开发涡轮通流计算程序。结合对涡轮内部流动规律的深刻认识,加入B-L端壁紊流模型和涡轮落后角模型,对GE-E3双级高压涡轮和GE-E3五级低压涡轮进行通流性能预测分析,验证了... 详细信息

基于时间推进有限体积法求解周向平均Navier-Stokes通流控制方程,开发涡轮通流计算程序。结合对涡轮内部流动规律的深刻认识,加入B-L端壁紊流模型和涡轮落后角模型,对GE-E3双级高压涡轮和GE-E3五级低压涡轮进行通流性能预测分析,验证了本通流程序的可靠性;并将通流程序应用于某航改地面燃机一体化设计涡轮系统性能预测和分析,对于研究涡轮部件之间性能匹配和气动布局具有工程应用价值。

关键词：周向平均通流计算涡轮航空发动机性能预测

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两种紊流模型在通流计算中的应用研究

推进技术 2021年第6期42卷 1223-1234页

作者：祝赖盛张硕葛宁南京航空航天大学能源与动力学院江苏南京210016

为验证紊流模型在基于周向平均Navier-Stokes方程的通流计算中的适用性,给出了周向平均形式的Spalart-Allmaras紊流模型,并选择Baldwin-Lomax模型作为对比。通过两个经典简单算例以及两个典型叶轮机械算例对采用了上述两种紊流模型的通... 详细信息

为验证紊流模型在基于周向平均Navier-Stokes方程的通流计算中的适用性,给出了周向平均形式的Spalart-Allmaras紊流模型,并选择Baldwin-Lomax模型作为对比。通过两个经典简单算例以及两个典型叶轮机械算例对采用了上述两种紊流模型的通流模型进行验证与对比。两个经典简单算例结果表明,上述两种紊流模型在无叶片的通流模型中均能够准确预测附面层发展,捕获激波,预测分离流动。两个典型叶轮机械算例结果表明,两种紊流模型对轴流式叶轮机械的子午流面气动布局以及总体气动性能具备一定的预测能力。在单转子算例中,S-A模型的计算结果略优于B-L模型的计算结果;在双级高压涡轮算例中两种紊流模型对总体性能参数以及气流角的计算结果相差不大,且S-A模型计算的马赫数比B-L模型的偏小。

关键词：紊流模型周向平均通流计算跨声速压气机高压涡轮

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涡扇发动机低压部件通流耦合计算

航空发动机 2018年第3期44卷 26-30页

作者：孙逸葛宁舒杰南京航空航天大学能源与动力学院南京210016

为了研究各部件匹配与过渡段几何参数对发动机总体性能的影响,针对某涡扇发动机风扇、低压涡轮、内外涵道、掺混段和尾喷管等部件,基于周向平均Navier-St okes通流控制方程,采用时间推进有限体积法进行了部件耦合计算求解,将沿程各部件... 详细信息

为了研究各部件匹配与过渡段几何参数对发动机总体性能的影响,针对某涡扇发动机风扇、低压涡轮、内外涵道、掺混段和尾喷管等部件,基于周向平均Navier-St okes通流控制方程,采用时间推进有限体积法进行了部件耦合计算求解,将沿程各部件性能计算参数与试验做了对比,结果表明:在设计状态下发动机沿程各截面计算特征参数与试验值最大误差不超过5.0%,说明该通流耦合计算方法能够快速预估发动机总体性能,完善各部件匹配关系,在发动机总体设计初期有一定工程应用价值。

关键词：周向平均耦合计算低压部件部件匹配过渡段通流模型涡扇发动机

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通流模型在组合压气机设计与分析中的应用

通流模型在组合压气机设计与分析中的应用

作者：杨晓锋南京航空航天大学

学位级别：硕士

由于计算流体力学的出现和三维N-S方程计算软件的发展,通流方法逐渐退出一枝独秀的叶轮机械设计舞台,变成现代设计工具链中的一员。但是,通流方法还是现代压气机和涡轮设计过程的基石,还是设计者们的最重要工具。传统通流方法已经无法... 详细信息

由于计算流体力学的出现和三维N-S方程计算软件的发展,通流方法逐渐退出一枝独秀的叶轮机械设计舞台,变成现代设计工具链中的一员。但是,通流方法还是现代压气机和涡轮设计过程的基石,还是设计者们的最重要工具。传统通流方法已经无法适应现代航空风扇/压气机的设计和分析要求,基于周向平均Navier-Stokes方程的现代通流方法应运而生。本文以基于周向平均Navier-Stokes方程的通流理论为基础,首先推导了通流模型的控制方程,并介绍了控制方程中未知项的模化方法。随后对通流模型中控制方程的数值解法的选择及应用展开讨论,并以经典的“零压力梯度下平板附面层发展”算例和“跨音速凸包”算例验证数值解法的正确性。最终完成通流计算软件和通流预处理软件的编译。依次选取了“NASA Rotor 67”,“某3.5级轴流压气机”,“Krain离心叶轮”和“某轴流-离心组合压气机”作为算例对通流计算软件和通流预处理软件进行了校核。计算结果表明,本文的通流计算软件具备快速生成风扇/压气机特性线和分析风扇/压气机子午面流场信息的能力,通流预处理软件则能够快速精确生成通流计算软件所需的所有输入条件。

关键词：通流计算压气机周向平均模型

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基于通流计算下的涡轴发动机总体性能研究

基于通流计算下的涡轴发动机总体性能研究

作者：滕攀南京航空航天大学

学位级别：硕士

随着计算流体力学的迅猛发展,三维粘性数值模拟方法越来越多的被应用于叶轮机械的气动设计与性能计算中。但是从零维仿真为核心的发动机总体性能研究跨越到整机的全三维数值仿真,将对数值仿真的计算量和航空发动机的研发周期带来很大限... 详细信息

随着计算流体力学的迅猛发展,三维粘性数值模拟方法越来越多的被应用于叶轮机械的气动设计与性能计算中。但是从零维仿真为核心的发动机总体性能研究跨越到整机的全三维数值仿真,将对数值仿真的计算量和航空发动机的研发周期带来很大限制。基于周向平均N-S方程的通流模型能够在较高精度的发动机性能仿真基础上减少计算时间、提高研发效率,是当前总体性能研究的发展趋势。本文将开发的周向平均N-S方程通流计算程序应用于涡轴发动机总体性能仿真领域。从通流控制方程出发,对通流计算中的网格划分、定解条件和通流计算过程中用到的有粘和无粘叶片机模化方法以及跨音压气机、涡轮落后角模型做了详细分析论述。通过对NASA Rotor67、NASA Stage35、某3级跨音风扇和Krain原始离心叶轮进行通流计算分析,验证了本文通流计算方法在压气机中有较好的应用能力,并将通流计算软件应用于某轴流级+离心组合压气机的性能预测与分析,结果表明本文通流计算软件对涡轴发动机组合压气机有一定的二维仿真能力。通过对PW-E3单级高压涡轮、GE-E3双级高压涡轮、GE-E3五级低压涡轮进行通流计算分析,验证通流计算方法在涡轮中也能得到良好应用,并对某高、低压+动力涡轮系统进行通流耦合计算,计算结果与设计值吻合较好,进一步说明了本文开发改进的基于周向平均N-S方程通流计算软件对涡轴发动机总体性能研究有一定的工程应用价值。

关键词：压气机涡轮涡轴总体性能周向平均通流计算

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涡轴发动机二维内流仿真技术研究

涡轴发动机二维内流仿真技术研究

作者：祝赖盛南京航空航天大学

学位级别：硕士

对于航空发动机内流的气动仿真,全三维计算需要花费较高的时间成本以及计算资源,以现有的计算资源与条件在工程上实现全三维数值仿真仍然存在一些困难,开展S2流面的二维仿真技术研究对于现阶段航空发动机的研制有着重大意义。基于周向平... 详细信息

对于航空发动机内流的气动仿真,全三维计算需要花费较高的时间成本以及计算资源,以现有的计算资源与条件在工程上实现全三维数值仿真仍然存在一些困难,开展S2流面的二维仿真技术研究对于现阶段航空发动机的研制有着重大意义。基于周向平均Navier-Stokes方程的通流模型通过对Navier-Stokes方程进行周向平均实现了降维的目的,并能够在输入较少经验模型的情况下更真实地模拟发动机内部流动情况,是目前通流计算中最先进的方法之一。本文全面地介绍了基于周向平均Navier-Stokes方程的通流模型中的主要内容,包括叶片力模化方法,控制方程的数值求解方法,定解条件的给定方法,网格划分方法等关键技术;将通流模型应用在NASA Rotor67跨声速转子、PW-E3单级高压涡轮、GE-E3双级高压涡轮这三种典型叶轮机械算例的通流计算中,结果验证了本文通流模型对单部件叶轮机械的气动性能与流场的仿真能力;此外,本文通流模型分别采用了B-L模型与周向平均形式的S-A模型两种紊流模型,并通过对上述叶轮机械算例的通流计算详细对比了两种紊流模型的差异,结果表明两种紊流模型在通流计算中各具优势,但均能够较好地模拟叶轮机械子午面流场情况以及气动性能;针对某粒子分离器和轴流压气机的组合系统,某高、低压涡轮和动力涡轮以及喷管的组合系统,某轴流与离心组合压气机开展了相关的通流仿真计算探索,结果表明了基于周向平均Navier-Stokes方程的通流模型对涡轴发动机进气系统与排气系统具有一定的仿真能力,在工程方面具有一定应用价值,在涡轴发动机整机仿真能力上具有一定潜力。

关键词：涡轴发动机仿真内流总体性能周向平均通流计算紊流模型