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离心压气机无叶扩压器旋转失速诱发机理及能量损失机制研究

张倩  
【摘要】:离心压气机是微型燃气机轮中的重要设备之一,其中非稳定流动的存在是阻碍离心压气机高效和安全运行的重要根源。根据失速发生位置的不同,离心压气机失稳现象主要包括叶轮失速和扩压器失速,并且由于扩压器失速引起的压力波动幅值大于叶轮失速而可能带来更强的危害。无叶扩压器由于结构简单、稳定运行范围宽广、生产成本低廉而被广泛使用,但对于其内三维复杂非定常流动规律的研究,尤其是不同宽度比、入流条件下的流场失稳机制,及能量损失与失速诱发之间的内在关联性尚未明晰。因此,本文开展离心压气机无叶扩压器稳定性研究,不仅可以加深和完善人们对离心压气机失稳机制的规律性认识,具有重大的科学意义,同时有助于形成先进的扩压器设计及调控技术,对离心压气机的安全稳定运行具有重要的实用价值。本文以带有无叶扩压器的离心压气机为研究对象,通过采用理论建模、实验测试与数值模拟方法对离心压气机无叶扩压器旋转失速的诱发机理及能量损失机制展开了深入研究。基于特征值方法构建了无叶扩压器无粘三维稳定性模型,开展了离心压气机定常与非定常流场数值模拟,并通过实验分别验证了稳定性模型与数值计算的准确性;基于数值模拟与稳定性模型分析,分别揭示了窄无叶扩压器与宽无叶扩压器在非对称入流条件下的失速机理;基于网格映射技术,构建了适用于非平行壁面的无叶扩压器稳定性模型,并采用动力学模态分解方法,研究了非平行壁面对无叶扩压器失稳的影响规律;基于场协同分析,建立了无叶扩压器能量损失与失速机理之间的关联性。本文的主要结论如下:(1)基于特征值方法构建了无叶扩压器无粘三维稳定性模型,并开展了离心压气机无叶扩压器失速过程的非定常数值模拟,通过实验分别验证了稳定性模型与数值计算的准确性。研究结果表明,近失速工况下无叶扩压器入口射流尾流结构显著减弱,回流区域相比设计工况下显著增大,并且主要集中于扩压器轮毂面,靠近轮毂侧流动分离现象是造成该离心压气机无叶扩压器失速的主要诱发原因。(2)揭示了轴向非对称入流条件下离心压气机宽、窄无叶扩压器的失速诱发机理。对于给定非对称入流条件的孤立窄无叶扩压器,上游速度分布对入口附近不稳定扰动的分布影响较为显著,同时窄无叶扩压器内存在强烈的出口回流扰动。对于给定非对称入流条件的孤立宽无叶扩压器,近入口壁面与出口壁面的流动分离导致了速度扰动的产生与放大。(3)获得了非平行壁面对离心压气机无叶扩压器失稳的影响规律。不同轮缘壁面造型不仅对无叶扩压器的气动性能产生显著影响,而且会改变失速诱发的关键空间位置与失速机理。对平行壁面扩压器,扩压器出口附近的回流与近壁流动分离是其失速产生的主要因素。对进口折线无叶扩压器,失速的主要诱因是轮毂侧的近壁流动分离现象。对等面积壁面无叶扩压器出口回流和近壁分离都得到了有效抑制,进口处的局部回流是导致失速产生的主要因素。(4)基于场协同理论,揭示了无叶扩压器能量损失与失速诱发机理的关联性。基于离心压气机一维能量损失预测模型,通过构建衡量各项损失对于压气机总压比贡献的权重系数,发现从设计工况到近失速工况摩擦损失和二次损失的影响逐渐减小,而扩散损失的影响逐渐增大;虽然二次流和扩散过程都会导致扩压器内边界层的分离,但在大宽度比、小入流角的无叶扩压器内,由于强烈的扩散效应而引起的动量损失对流动不稳定性的产生有较大的影响。


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