跨声速多级轴流压气机三维流场及气动性能数值模拟研究

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作为航空发动机的核心部件,压气机的气动性能对整台发动机的效率、推力和可靠性有着至关重要的影响。随着高性能计算机技术的飞速发展,计算流体力学(CFD)技术被越来越广泛地用于压气机的设计和分析,并能够对压气机的效率、压比等关键气动性能进行预测。发动机内部流场十分复杂,存在固有的非定常流、复杂的二次流、叶尖泄流等等复杂流动现象。现代航空发动机多采用多级轴流压气机,如何模拟相邻叶栅之间转/静叶片的相对运动引起的非定常干扰是CFD计算的一大难点。本文利用自主开发的三维流场求解器,基于混合平面法技术,在转/静子交界面处的不同的展向位置,将流动周向平均后进行传递,使得非定常流动问题简化成为“准定常”问题,从而将计算过程简化为只需要对一个叶片流道进行计算,大大减小了计算量。通过计算得到了压气机的总体工作特性和几个关键气动参数的展向分布曲线,并将结果与试验数据进行了对比分析。计算结果和试验数据基本吻合,验证了计算程序的适用性和可靠性。在引言中,介绍了研究背景与意义,以及压气机的一些基本工作原理,并简要梳理了国内外压气机CFD的研究进展,最后介绍了本文的主要研究工作;第二章为数值计算方法,是全文的理论基础。在这一章中,系统的介绍了与本文程序相关的控制方程、数值格式(包括空间离散和时间离散)、边界条件、多重网格技术和湍流模型等等,重点对进出口边界条件和转/静子交界面的处理进行了介绍;第三章为单排转子算例验证,分别对两个不同跨声速压气机转子进行了数值计算,通过计算得到了转子的总压比、总温比、绝热效率等气动特性图,并与试验数据和文献数据对比分析,找到了相似的规律。同时,分析了相关的流场特性,重点对压气机内部的“二次流”现象、“叶尖泄流”等复杂现象进行了研究,加深了对压气机气动问题的理解。第四章为多排算例计算研究,在第三章的基础上,增加了转/静界面利用混合平面法处理的内容,验证算例为一个单级压气机和一个1.5级压气机。虽然由于方法的局限性导致在交界处无法保证物理量的当地连续性,但保证了整个压气机级的质量、动量和能量的整体守恒。类似的,计算得到了这两个压气机的一些气动参数,并且与试验数据、商业软件数据全方位进行对比,结果吻合良好,进一步确认了本文模型和程序的正确性。第五章为结束语,对本文的研究内容进行了全面总结,并指出本文研究存在的一些不足,为今后的研究做出了展望。
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