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基于螺旋度改进的DDES-SA模型预测叶尖泄漏流动

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工程热物理学报 2024年第8期45卷 2290-2298页

作者：汪光宇柳阳威唐雨萌高雁飞刘旭亮北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191 北京航空航天大学航空发动机气动热力国家级重点实验室北京100191 中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室绵阳621000

基于Spalart-Allmaras(SA)湍流模型的延迟脱体涡模拟(Delayed Detached Eddy Simulation, DDES)方法作为一种经典的混合雷诺平均(RANS)–大涡模拟(LES)方法,已被广泛应用。然而,DDES-SA模型虽结合了RANS及LES方法的优点,但在叶轮机领域... 详细信息

基于Spalart-Allmaras(SA)湍流模型的延迟脱体涡模拟(Delayed Detached Eddy Simulation, DDES)方法作为一种经典的混合雷诺平均(RANS)–大涡模拟(LES)方法,已被广泛应用。然而,DDES-SA模型虽结合了RANS及LES方法的优点,但在叶轮机领域的实际应用中仍存在局限性,难以达到期望的预测精度。本研究引入螺旋度对传统的DDES-SA模型进行修正,通过螺旋度精准识别流向涡核,减弱涡核处过高的湍流黏性,从而显著提升DDES-SA模型对叶尖泄漏流动的预测能力。本文采用改进前后DDES-SA对简化的叶轮机转子叶尖泄漏流动进行了数值模拟,以大涡模拟结果为基准,评估了改进前后的DDES-SA方法对泄漏流动的预测性能。结果表明,基于螺旋度改进的DDES-SA方法预测值和LES结果更接近,并能提供更准确的涡核强度及非定常特性,显著提升了其对叶尖泄漏流的预测能力。

关键词： DDES-SA 螺旋度叶尖泄漏流模型修正湍流黏性

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不同DDES方法预测叶尖泄漏流动

工程热物理学报 2023年第8期44卷 2088-2097页

作者：汪光宇柳阳威高雁飞唐雨萌刘旭亮北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191 北京航空航天大学航空发动机气动热力国家级重点实验室北京100191 中国空气动力研究与发展中心空气动力学国家重点实验室四川621000

叶尖泄漏流动对叶轮机性能有重要影响。混合RANS-LES方法作为一种兼顾准确性和计算成本的方法,已逐渐开始应用于预测叶轮机内复杂流动。延迟脱体涡模拟(Delayed Detached Eddy Simulation, DDES)是一种常用的混合RANS-LES方法,一定程度... 详细信息

叶尖泄漏流动对叶轮机性能有重要影响。混合RANS-LES方法作为一种兼顾准确性和计算成本的方法,已逐渐开始应用于预测叶轮机内复杂流动。延迟脱体涡模拟(Delayed Detached Eddy Simulation, DDES)是一种常用的混合RANS-LES方法,一定程度上结合了RANS及LES方法的优点。本文采用LES、DDES-SST、DDES-SA对课题组前期所提出的简化的叶轮机转子叶尖泄漏流动模型的泄漏流动进行了数值模拟,基于LES模拟结果,对比了两种DDES方法对泄漏流动的预测性能。对比结果表明,DDES-SA方法低估了叶尖泄漏涡强度,原因是其在涡核处生成了过大的湍流黏性;DDES-SST方法预测叶尖泄漏流动好于DDES-SA方法,其预测值和大涡模拟数据更为接近,但仍有较大的提升空间。

关键词： DDES LES 叶尖泄漏流湍流模型湍流黏性

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机匣沟槽对微型轴流涡轮叶尖泄漏流动的影响

推进技术 2022年第10期43卷 119-128页

作者：赵晨彦魏佐君倪明任光明南方科技大学工学院广东深圳518055

为了揭示机匣沟槽对微型涡轮叶尖泄漏流动的作用机制,本文通过对某微型涡喷发动机的单级轴流式涡轮进行机匣设计,研究了4%间隙比时不同机匣沟槽结构对其叶尖泄漏流动的影响。计算结果说明:当全机匣沟槽结构的沟槽深度大于叶尖间隙时,封... 详细信息

为了揭示机匣沟槽对微型涡轮叶尖泄漏流动的作用机制,本文通过对某微型涡喷发动机的单级轴流式涡轮进行机匣设计,研究了4%间隙比时不同机匣沟槽结构对其叶尖泄漏流动的影响。计算结果说明:当全机匣沟槽结构的沟槽深度大于叶尖间隙时,封严效果较好;相较于全机匣沟槽结构,后开式机匣沟槽结构的封严效果更好,且随着沟槽前缘间隙的增大,封严效果减弱。当台阶与叶片前缘的距离等于叶尖间隙时,封严效果最佳,即泄漏流明显减弱,同时效率减小量较小。

关键词：涡轮转子机匣沟槽叶尖泄漏流效率微型涡轮发动机

端壁抽吸控制下攻角对压气机叶栅叶尖泄漏流动的影响

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航空动力学报 2020年第11期35卷 2400-2412页

作者：张博涛刘波王何建西北工业大学动力与能源学院西安710129

为减少叶尖泄漏损失并改善由泄漏涡造成的叶尖流道堵塞,对端壁流向开槽抽吸方案对扩压叶栅叶尖泄漏流动的控制效果进行了数值模拟研究,重点分析了来流攻角对流动控制效果的影响。结果表明:端壁抽吸方案通过直接影响叶尖泄漏流的发展,减... 详细信息

为减少叶尖泄漏损失并改善由泄漏涡造成的叶尖流道堵塞,对端壁流向开槽抽吸方案对扩压叶栅叶尖泄漏流动的控制效果进行了数值模拟研究,重点分析了来流攻角对流动控制效果的影响。结果表明:端壁抽吸方案通过直接影响叶尖泄漏流的发展,减弱泄漏涡强度,减小了泄漏损失;抽吸对负攻角和小攻角下叶栅流场的影响范围仅局限于叶尖区域。但在大的正攻角下,抽吸使得低叶展区域的附面层分离提前,且叶背分离涡脱落位置升高至约70%叶高处,端壁抽吸对叶栅的整体影响由泄漏损失降低和分离损失增大综合决定。抽吸量为0.7%时,抽吸后叶栅总体总压损失系数分别在-8°、0°和+4°攻角下降低约9.0%、10.8%和6.8%,而在+8°攻角下增大约5.7%。

关键词：叶尖泄漏流泄漏涡端壁抽吸流动控制技术攻角熵分析

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轴流压气机转子叶尖泄漏流行为的数值研究

海军工程大学学报 2020年第5期32卷 72-77页

作者：邹恺恺刘永葆余又红贺星海军工程大学动力工程学院武汉430033

为了加深对某高速小尺寸轴流压气机转子的叶尖泄漏流行为的理解,采用定常数值计算的方法对其内部流场进行了全三维的数值模拟。计算结果表明:峰值效率工况下,叶尖泄漏涡集中且稳定,而近失速工况下,叶尖泄漏涡在通道中发生破碎,破碎后泄... 详细信息

为了加深对某高速小尺寸轴流压气机转子的叶尖泄漏流行为的理解,采用定常数值计算的方法对其内部流场进行了全三维的数值模拟。计算结果表明:峰值效率工况下,叶尖泄漏涡集中且稳定,而近失速工况下,叶尖泄漏涡在通道中发生破碎,破碎后泄漏流的速度剧减,形成巨大的低能团,严重堵塞顶部通道。低能流体团压缩叶尖泄漏流的流动空间,迫使叶尖泄漏流溢出叶片前缘平面,导致转子突尖型失速先兆发生。进一步详细分析叶尖泄漏流的结构发现,叶尖泄漏流与来流的交界面随流量减小而向上游移动,并受叶尖泄漏涡破碎、前部弦长范围叶尖间隙两侧压差增加及逆压梯度增强的共同影响。

关键词：轴流压气机叶尖泄漏流交界面突尖型失速先兆

跨音转子叶尖泄漏流动分离涡模拟研究及涡破碎现象分析

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跨音转子叶尖泄漏流动分离涡模拟研究及涡破碎现象分析

作者：苏祥宇清华大学

学位级别：硕士

对于轴流压气机而言,叶尖泄漏流动不可避免,且与动叶的损失、失速等特性有着异常紧密的联系,对压气机的总体性能和喘振裕度有直接影响,故在压气机的设计和分析中尤为重要。目前工程应用中主要使用跨音压气机,其流场中存在大逆压梯度、... 详细信息

对于轴流压气机而言,叶尖泄漏流动不可避免,且与动叶的损失、失速等特性有着异常紧密的联系,对压气机的总体性能和喘振裕度有直接影响,故在压气机的设计和分析中尤为重要。目前工程应用中主要使用跨音压气机,其流场中存在大逆压梯度、激波等流动特征,使得叶顶流场更加复杂,因而跨音压气机中的叶尖泄漏流动具有较高的研究价值。本文研究了跨音压气机中动叶叶尖泄漏流动及分离涡模拟方法在压气机领域的应用,主要使用了分离涡模拟方法对一跨音压气机转子进行了数值模拟,与雷诺时均模拟结果及实验结果进行了对比,验证了分离涡模拟在跨音压气机计算中的可靠性,并获得了跨音压气机动叶叶尖泄漏流的流动特征、非定常特性及与激波的相互干涉过程,以及部分工况下的泄漏涡破碎相关结构和机理。研究表明,相比于传统雷诺时均模拟,分离涡模拟计算能够对跨音压气机顶部流动细节进行更好的捕捉。叶尖泄漏流动的形态结构和运行工况有着密切的联系,从近堵塞点到近失速点,泄漏流动和主流的分界面逐渐向叶片前缘移动,泄漏涡和弦长方向的夹角逐渐增大,泄漏流动中的高熵值区域的面积逐渐增大。在近失速工况下,本文的跨音转子流场中80%叶高以上的区域表现出了明显的非定常性,泄漏流动的非定常特征频率为0.64 BPF和1.80 BPF,该非定常性的来源为泄漏涡和激波的相互作用。另外,本文确认了在近失速工况下叶尖泄漏涡和激波作用而发生了螺旋型涡破碎现象,且首次在数值计算中捕获到叶尖泄漏涡详细的破碎结构。本文证实近失速点的泄漏涡破碎具有典型的超音速环境下激波诱导涡破碎的特征,并将涡和正激波的干涉准则应用于跨音压气机中泄漏涡和前缘弓形激波的相互作用过程中,成功预测了本文中的泄漏涡破碎仅在近失速点发生,而在近堵塞点和最大效率点不发生。通过本文的研究,对分离涡模拟方法在跨音压气机领域的适用性进行了探索,对跨音压气机中叶尖泄漏流动的形态结构进行了更加详细的解析,对叶尖泄漏涡的非定常特性和破碎现象有了更加深入的认识,可以为增效扩稳的流动控制方法提供一定的理论基础。

关键词：叶尖泄漏流分离涡模拟涡破碎跨音压气机

跨声速叶栅中气膜冷却对平面叶尖流动和传热特性的影响

同方学位论文库评论

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同方学位论文库

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航空动力学报 2013年第11期28卷 2440-2447页

作者：周凯周超钟芳盼北京大学工学院北京100871

采用数值模拟的方法,研究了主流跨声速条件下,高压涡轮中平面叶尖上气膜冷却的流动和传热特性.在不带冷却的平面叶尖上,激波在端壁和叶尖表面来回反射,从叶片中部到尾缘,叶尖表面传热系数呈现条带状分布.采用气膜冷却方法后,冷却气体使... 详细信息

采用数值模拟的方法,研究了主流跨声速条件下,高压涡轮中平面叶尖上气膜冷却的流动和传热特性.在不带冷却的平面叶尖上,激波在端壁和叶尖表面来回反射,从叶片中部到尾缘,叶尖表面传热系数呈现条带状分布.采用气膜冷却方法后,冷却气体使得叶尖间隙内的流体减速,激波和叶尖上表面传热系数分布的条带结构不明显.冷却气体覆盖了冷却孔下游的区域,当冷却孔进口和叶栅进口总压比从0.7增大到1.0时,叶尖平均气膜冷却效率从18.7%下降到11.5%.和不采用气膜冷却的平面叶尖相比,当气膜孔进口和叶栅进口总压比为0.9时,叶尖平均表面传热系数增加了16.9%,传热量降低了8.7%.

关键词：叶尖泄漏流高压涡轮气膜冷却跨声速传热

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凹槽叶顶构型对涡轮转子尖区漩涡演化的影响

推进技术 2022年第4期43卷 88-95页

作者：包幼林曾飞甘明瑜宋玉琴中国航发湖南动力机械研究所湖南株洲412002 中小型航空发动机叶轮机械湖南省重点实验室湖南株洲412002 北京航空航天大学能源与动力工程学院北京100191 湖南工业大学理学院湖南株洲412007

凹槽宽度及深度是涡轮转子凹槽叶顶造型的关键参数,为了探究这两个关键几何参数对叶尖端区的旋涡结构演化的影响规律,采用数值模拟方法,对某单级跨声速高压涡轮展开了研究。基于对平叶顶和凹槽叶顶的叶尖端区旋涡演化的深入分析,提取了... 详细信息

凹槽宽度及深度是涡轮转子凹槽叶顶造型的关键参数,为了探究这两个关键几何参数对叶尖端区的旋涡结构演化的影响规律,采用数值模拟方法,对某单级跨声速高压涡轮展开了研究。基于对平叶顶和凹槽叶顶的叶尖端区旋涡演化的深入分析,提取了该跨声速涡轮的典型流场特征。构造了6种凹槽宽度和5种凹槽深度的凹槽叶顶结构,并对典型算例进行了流场结构分析。结果表明,凹槽宽度的减小和凹槽深度的增大均会造成凹槽对泄漏流的有效阻塞范围缩小,但同时会增强该区域的阻塞效果;凹槽宽度的减小还对泄漏涡破碎起到了抑制作用;凹槽深度对涡轮级效率的影响更为显著,且存在不受凹槽宽度取值影响的最佳取值范围,约为2.5~3.0倍叶尖间隙。

关键词：航空发动机涡轮转子流场叶尖泄漏流泄漏涡数值模拟

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缝式机匣处理对对转压气机最先失速级的影响

航空动力学报 2024年第6期39卷 259-274页

作者：王磊高丽敏茅晓晨郭彦超西北工业大学动力与能源学院西安710072 西北工业大学翼型、叶栅空气动力学国家级重点实验室西安710072

为探究缝式机匣处理对对转压气机最先失速级的影响规律,以双级对转压气机为研究对象,采用数值模拟的方法,开展了缝式机匣处理对对转压气机最先失速级的影响研究。研究表明:缝式机匣处理下该对转压气机的失速初始扰动类型仍为突尖型失速... 详细信息

为探究缝式机匣处理对对转压气机最先失速级的影响规律,以双级对转压气机为研究对象,采用数值模拟的方法,开展了缝式机匣处理对对转压气机最先失速级的影响研究。研究表明:缝式机匣处理下该对转压气机的失速初始扰动类型仍为突尖型失速,机匣处理前移压气机的最先失速级由转子R2转换为转子R1,而机匣处理后移未改变该压气机的失速级。机匣处理前移抑制了转子R2前缘溢流的发生,降低了叶片通道内的非定常脉动强度,而转子R1在近失速工况下叶片前缘溢流加剧,主流和泄漏流的交界面被推出叶片通道,同时叶片通道内的非定常脉动强度增大,最终使得转子R1首先进入失速状态;机匣处理向转子R2下游移动,难以抑制前缘溢流的发生,虽然此时转子R1也出现了前缘溢流现象,但转子R2前缘溢流更剧烈,主流和泄漏流交界面的位置更远离叶片前缘,更容易使压气机发生失速。

关键词：对转压气机缝式机匣处理压气机失速最先失速级叶尖泄漏流