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1.5级涡轮非定常流动研究

李翔  
【摘要】: 叶轮机械内部实际的流动是三维、粘性、非定常的。叶轮机械内部流动的非定常性对其热功转换具有重要影响,对它的认识与研究直接关系到叶轮机械的发展。 叶轮机械传统的设计方法己取得了很大的成功。这些设计和分析方法引入了一个重要假设,即动叶和静叶都是在相对定常环境下工作。由于忽略了非定常流的影响,原则上它不能完全反映叶轮机内部的与非定常流有关的各种现象,在高负荷以及偏离设计工况情况下,采用定常假设作出的工程设计并不完全可靠,而且叶轮机级数越多,偏差越大。为了进一步提高叶轮机的性能,在设计中考虑非定常流动现象是有益的。本文的目的是通过对叶轮机内非定常流动的研究,探讨非定常流动物理本质,发掘非定常流的潜力,为发展非定常设计手段提供思路。 当前涡轮数值模拟中普遍采用的三维定常模拟技术存在不足之处,在多叶片排交界面处理时采用掺混面平均的方式忽略了上下游的非定常相互作用。涡轮级内的非定常流场数值模拟是现阶段计算流体力学研究的重要领域。本文通过两种不同的非定常研究方法,对某实验台设计的1.5级涡轮进行了三维非定常流场的数值模拟。第一种方法是非线性谐波法,通过计算获得了该1.5级涡轮内的非定常流场结构。并在与定常计算结果的确认对比下,分析了该涡轮动静叶间干涉与非定常流动特性,并比较了谐波阶数对计算结果的影响。第二种方法是采用区域缩放法进行的全三维粘性非定常流动的数值模拟,分析了相邻叶排间主要的干涉现象及涡轮级内的非定常现象。研究结果表明,非线性谐波法可在占用计算机资源相对较小的情况下有效地模拟动静非定常干涉;区域缩放法能够准确地模拟涡、二次流,在非定常流中的发展,还有叶排干扰,滞止压力的变化,尾迹干扰等各种非定常现象。


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