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《中国科学院研究生院(工程热物理研究所)》 2004年
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低速轴流压气机旋转失速的数值模拟研究

蒋康涛  
【摘要】:对压气机旋转失速机理的研究和认识,进而实现对其进行控制,对于提高航 空发动机及其它燃气轮机的性能和可靠性具有重要意义。本文研究工作的目的就 是,发挥数值模拟相对于实验研究的特殊作用,探索压气机旋转失速发生和发展 过程中叶片通道内部的流体力学机制。 这项工作除了对计算机资源要求很高和需要适用的、相对精确的计算流体力 学方法和程序外,难度主要在于对复杂物理现象数值模拟的算法选择、各种限定 条件的设定以及实用的计算结果分析方法。本文在非定常Navier-Stokes方程的 框架内,采用了能模拟流动失稳瞬态过程的节流阀模型,对系统的非定常特性、 对叶片通道的周向(叶片数)和轴向(单级和单转子及其上下游)域进行了充分的计 算比较,分别实现了对一台三级低速轴流压气机中单级二维旋转失速过程和单转 子三维旋转失速过程的数值模拟。在对计算结果的分析中,采用了可与实验观测 类比的数字传感器方法,不仅可以再现失速先兆的发展过程,而且实现了失稳过 程中叶片载荷动态特性的分析。 对于失速先兆特性的模拟,没有外加人工扰动,压气机第一级二维计算的先 兆类型为模态波型,而单转子和拉开轴向间隙的单级二维计算模拟给出的是突发 型失速。失速类型的差异,说明在级环境中静叶对动叶通道内小尺度扰动有抑制 作用,去掉静叶或者拉开轴向间隙有利于突发型先兆的发展,因此在该压气机第 一级孤立转子的三维计算中,同样得到了突发型失速先兆结果。具有顶部间隙的 三维计算还表明,间隙泄漏涡的发展对突发型失速先兆的产生起主导作用。 分析失速过程的通道内部流场,对于单级二维计算所模拟的模态波型失速, 在节流过程中,从开始时所有叶片吸力面同时产生分离,到失速过程中逐渐出现 的周向不均匀流场,最后连续发展为具有4至5个叶片通道周向尺度的失速团。 而在单转子三维计算中,从每个通道几乎相同的流动状态,在几个转子周期内, 泄漏涡的位置向上游和相邻叶片压力面运动,泄漏涡的增长会集中到2至3个通 道,呈现出对应于突发型失速先兆到失速团的加速过程;在此过程中,失速团还 经历了径向迁移、轴向扩展和周向传播的三维空间结构变化。 上述二维和三维计算中,为了研究失速过程中叶片通道内部的流体力学机 制,不但采用了压力分布、速度分布、粒子示踪和油流图等分析方法,得到回流 区、堵塞、分离涡、项部泄漏涡等流场的变化细节;还通过沿动叶弦向布置的数 字传感器,分析了叶片载荷即通道内部动态压力的变化。从失速前各通道基本相 同的锯齿波,在单级二维计算所模拟的模态波型失速中,一部分通道的锯齿波幅 度变小,此后变化幅度慢慢增强并在连续发展到失速团后稳定下来;而在单转子 摘要 三维计算中突发型先兆出现后,锯齿波破坏的情况要严重得多,一部分通道甚至 出现压力面的压力小于吸力面。 数值模拟结果与压气机实验数据进行的比较表明,计算与实验的特性线符合 较好,单转子三维计算与压气机三级实验中第一级转子在失速先兆类型、失速团 个数以及先兆和失速团传播速度的变化趋势等方面一致,并且数值失速过程中动 叶通道内部动态压力的变化与实验结果也很接近。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(工程热物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:TH45

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【引证文献】
中国期刊全文数据库 前4条
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2 吴艳辉;楚武利;张皓光;;轴流压气机失速初始扰动的研究进展[J];力学进展;2008年05期
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1 张磊;离心风机多目标优化及旋转失速机理研究[D];华北电力大学(北京);2011年
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3 彭滔;分布参数系统的确定学习理论及其应用[D];华南理工大学;2011年
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6 张靖煊;畸变条件下轴流压气机叶顶间隙流对流动失稳影响的非定常机制[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2007年
7 郭强;带无叶扩压器的离心压缩机失速现象的实验和数值研究[D];上海交通大学;2007年
8 崔凝;重型燃机联合循环机组实时动态仿真模型研究与应用[D];华北电力大学(河北);2008年
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1 贺晓亮;跨音速离心压气机三维流场数值分析[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 刘哲;电站离心风机旋转失速的数值模拟研究[D];华北电力大学;2011年
3 王沛;压气机叶顶泄漏流动的控制策略及其扩稳机理研究[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2007年
4 宫伟;三级轴流压气机导/静叶及转速联调的数值分析[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2008年
5 穆生;大型压缩机焊接机壳动态特性有限元分析[D];西安理工大学;2008年
6 都昆;总压畸变对超声速压气机流场结构影响的机理探索[D];大连海事大学;2012年
7 奚忠;径流透平气动设计及优化方法研究[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2012年
【参考文献】
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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6 许利波;高歌;;用GAO-YONG湍流模型计算激波/边界层干扰[J];北京航空航天大学学报;2007年10期
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8 曹人靖,陶德平,周盛;考虑二次流影响的压缩系统稳定性模型[J];北京航空航天大学学报;1996年02期
9 杨烨,王翠苹,李定凯,吕子安;射流悬浮床气固两相流动的数值模拟[J];北京化工大学学报(自然科学版);2003年02期
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1 张震;杨卫民;阎华;丁玉梅;;内置转子套管换热器的实验及数值模拟研究[A];第七届中国CAE工程分析技术年会暨2011全国计算机辅助工程(CAE)技术与应用高级研讨会论文集[C];2011年
2 张家忠;孙旭;雷鹏飞;;低速气流中二元叶片颤振数值模拟与Hopf分岔分析[A];第九届全国振动理论及应用学术会议论文集[C];2007年
3 栾辉宝;徐辉;陈黎;陶文铨;;FVM与LBM分区耦合模拟远场边界条件下的圆柱绕流[A];中国计算力学大会'2010(CCCM2010)暨第八届南方计算力学学术会议(SCCM8)论文集[C];2010年
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5 曾和义;;网格质量对数值模拟的影响[A];中国核科学技术进展报告——中国核学会2009年学术年会论文集(第一卷·第3册)[C];2009年
6 邹琳江;翟笃棉;赵志民;邹得球;;气烧套筒石灰窑燃烧器的研究[A];第八届全国工业炉学术年会论文集[C];2011年
7 周惠敏;张浩;苍大强;白皓;王远成;方肇洪;张海涛;刘新华;王苗;程相利;赵立华;;蓄热体纳微米高辐射覆层对热风炉传热过程影响的数值模拟[A];2009年山东省炼铁学术交流会论文集[C];2009年
8 邴继兵;;高密度PCB再流焊工艺过程的热变形仿真分析[A];2007中国高端SMT学术会议论文集[C];2007年
9 林鸿;杨月诚;强洪夫;叶霞;;基于燃面推移的某小型固体火箭发动机内流场数值仿真[A];中国宇航学会2005年固体火箭推进第22届年会论文集(发动机分册)[C];2005年
10 侯凤龙;张建华;蔡国飙;;Voronoi网格技术在DSMC方法中的应用[A];中国宇航学会2005年固体火箭推进第22届年会论文集(发动机分册)[C];2005年
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1 穆勇;燃气轮机双燃料燃烧室流场及污染排放数值研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
2 刘芬;注射成型过程中多相聚合物相形态演变的建模与模拟[D];华中科技大学;2010年
3 黄钰期;基于场协同原理的车用冷却系统流动传热耦合分析与结构优化[D];浙江大学;2010年
4 张磊;离心风机多目标优化及旋转失速机理研究[D];华北电力大学(北京);2011年
5 杨凌;旋转冲压压缩转子结构与性能研究[D];大连海事大学;2011年
6 朱荣生;离心泵叶轮不等扬程水力设计方法研究[D];江苏大学;2011年
7 许剑;高效对旋风机的流场特性研究与设计优化[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2011年
8 周陆军;磁流体流动及能量传递特性的多尺度研究[D];南京理工大学;2010年
9 夏强;固体燃料冲压发动机工作过程研究[D];南京理工大学;2011年
10 刘新儒;带边界约束的网格和曲面生成理论与方法研究[D];中南大学;2011年
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1 包金哲;煤化工气液固多相流管道磨蚀机理及仿真预测研究[D];浙江理工大学;2010年
2 姜逢章;蜂窝板传热元件的性能研究[D];郑州大学;2010年
3 谷骁勇;基于ANSYS的离心压缩机主要零件建模和受力分析[D];郑州大学;2010年
4 魏国亮;多级压气机三维流场数值模拟研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
5 李斌;先进涡轮气动设计规律的研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
6 舒春英;喷水推进泵流场数值模拟分析[D];哈尔滨工程大学;2010年
7 李翔;1.5级涡轮非定常流动研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
8 吴曙亮;横向来流对等离子点火器点火区域的影响[D];哈尔滨工程大学;2010年
9 崔广云;LED彩色打印机内部温度场的数值计算[D];大连理工大学;2010年
10 刘海朋;带有自由表面流动的N-S方程的数值解法[D];大连理工大学;2010年
【同被引文献】
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1 周文哲;杨策;陈山;施新;祁明旭;;径流式涡轮三维叶型优化设计[J];车辆与动力技术;2009年04期
2 魏兵;王志伟;李莉;蒋露;;微型燃气轮机冷热电联供系统及其在国外的发展状况[J];电力需求侧管理;2006年06期
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4 潘蕾,杨瑜文,林中达;燃气轮机双燃料伺服系统动态数学模型的研究[J];动力工程;2001年03期
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7 侯军虎,王松岭,安连锁,艾进聪;基于一类改进谐波小波的离心风机旋转失速特征分析[J];动力工程;2003年06期
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10 李政,王德慧,薛亚丽,李东海;微型燃气轮机的建模研究(上)——动态特性分析[J];动力工程;2005年01期
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1 陈海生;弯曲叶片透平叶栅和单级轴流风机气动特性的实验和数值模拟研究[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2002年
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3 高建强;大型循环流化床锅炉实时仿真模型与运行特性研究[D];华北电力大学(河北);2005年
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5 钟兢军;弯曲叶片控制扩压叶栅二次流动的实验研究[D];哈尔滨工业大学;1996年
6 张靖煊;畸变条件下轴流压气机叶顶间隙流对流动失稳影响的非定常机制[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2007年
7 郭强;带无叶扩压器的离心压缩机失速现象的实验和数值研究[D];上海交通大学;2007年
8 孙鹏;总压畸变对跨声速风扇流场结构影响的全流道数值模拟[D];哈尔滨工业大学;2007年
9 初雷哲;高转速高压比离心压气机内部流动研究[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2008年
10 杜娟;跨音压气机/风扇转子叶顶泄漏流动的非定常机制研究[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2010年
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1 高阳;基于联合循环的燃气轮机动态模型与仿真[D];重庆大学;2002年
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3 赖宇阳;叶片气动设计中组合优化方案的算法研究和系统实现[D];清华大学;2002年
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7 刘喜超;单轴燃气轮机动态仿真[D];重庆大学;2006年
8 王春利;风扇/压气机气动稳定性的数值模拟研究[D];西北工业大学;2007年
9 贾海军;轴流压气机跨声速三维流场数值模拟[D];西北工业大学;2006年
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【二级引证文献】
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1 马文生;顾春伟;;叶顶间隙对压气机性能的影响[J];动力工程;2007年06期
2 韩少冰;钟兢军;严红明;;端壁相对运动对压气机叶栅间隙流场影响的数值模拟[J];动力工程学报;2011年04期
3 张靖煊;林峰;陈静宜;聂超群;;旋转进口畸变条件下轴流压气机叶顶间隙流非定常特征及其与旋转失速的关联性研究[J];工程热物理学报;2008年03期
4 崔凝;张静涛;陆海荣;董丽丽;;基于遗传算法的高压加热器模型自校正研究[J];华北电力大学学报(自然科学版);2011年05期
5 戴丽萍;张辉;康顺;;叶顶吹气对低速轴流压气机间隙流动影响的数值研究[J];航空动力学报;2010年12期
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中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 张磊;离心风机多目标优化及旋转失速机理研究[D];华北电力大学(北京);2011年
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8 童志庭;轴流压气机中叶尖泄漏涡、失速先兆、叶尖微喷气非定常关联性的实验研究[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2006年
9 张靖煊;畸变条件下轴流压气机叶顶间隙流对流动失稳影响的非定常机制[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2007年
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8 潘振生;叶顶间隙对旋转冲压压缩转子的影响研究[D];大连海事大学;2012年
9 马静先;轴流泵叶顶间隙对内部流场及性能影响的数值分析[D];兰州理工大学;2007年
10 王沛;压气机叶顶泄漏流动的控制策略及其扩稳机理研究[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2007年
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5 程晓斌,徐纲,聂超群,陈静宜;小波方法分析小流量喷气影响两级低速轴流压气机失速特性的动态效果研究[J];工程热物理学报;2002年01期
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1 顾瑊;多用途内燃往复发动机[N];科技日报;2004年
2 文广本报记者 杜吟;突击队树起一面旗[N];中国质量报;2008年
3 母亚军 陈晓东;巨港电厂检修的80小时[N];中国石油报;2007年
4 胡海;普·惠加拿大公司免受世界金融动荡影响[N];中国航空报;2008年
5 李燕;六0八所以高科技赢得发展主动权[N];中国机电日报;2000年
6 王建云;欧洲刮来的“台风”[N];中国国防报;2003年
7 记者 张长勇 特约记者 穆惠民 通讯员 袁海荣;积极参与标准制定 为行业发展作贡献[N];中国建材报;2006年
8 维国 智杰 记者  何秀丽;新技术助哈抢占核电发展先机[N];哈尔滨日报;2006年
9 杨晓莹;东汽重型燃机形成批量生产[N];中国工业报;2005年
10 李燕;六0八所让年轻人挑大梁[N];中国航空报;2000年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 蒋康涛;低速轴流压气机旋转失速的数值模拟研究[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2004年
2 高坤华;基于混沌理论的压气机失速预测及分析[D];西北工业大学;2007年
3 侯军虎;基于多参数的风机状态监测与故障诊断的研究[D];华北电力大学(河北);2004年
4 童志庭;轴流压气机中叶尖泄漏涡、失速先兆、叶尖微喷气非定常关联性的实验研究[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2006年
5 彭玉成;三峡电站左岸6号机组小开度工况异常振动研究[D];华中科技大学;2007年
6 高闯;离心压缩机无叶扩压器失速与系统喘振先兆分析研究[D];上海交通大学;2011年
7 张学镭;焦炉煤气合成甲醇和发电系统关键技术研究[D];华北电力大学(河北);2007年
8 李钢;等离子体流动控制机理及其应用研究[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2008年
9 张靖煊;畸变条件下轴流压气机叶顶间隙流对流动失稳影响的非定常机制[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2007年
10 张环;旋转总压畸变对压气机稳定性影响的研究[D];南京航空航天大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 王修宝;旋转失速主动控制中叶栅流场分析可视化VCFD软件开发[D];大连理工大学;2000年
2 刘哲;电站离心风机旋转失速的数值模拟研究[D];华北电力大学;2011年
3 卢新根;轴流压气机转子内流数值模拟及叶顶间隙泄漏分析[D];西北工业大学;2004年
4 张书军;压气机气动设计软件平台的建立与应用[D];哈尔滨工业大学;2006年
5 尚建宇;离心通风机旋转失速和进口涡流特征研究[D];华北电力大学(河北);2003年
6 吴国强;压气机排气蜗壳数值模拟[D];哈尔滨工程大学;2008年
7 李琳;压气机流动失稳DSP在线控制方法的研究[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2008年
8 王鄢;大型离心压缩机叶轮动力分析方法研究[D];大连理工大学;2009年
9 周勇;基于并行计算的涡扇发动机旋转失速监测系统研究[D];华南理工大学;2012年
10 东秋生;新一代涡扇发动机扩稳的数值模拟分析[D];西北工业大学;2001年
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