叶顶间隙对转子流场的影响..doc

浙江理工大学本科毕业设计（论文）开题报告 班 级 机械设计制造及其自动化06（2） 姓 名 张颖艳 课题名称 NASA转子37 目 录 选题的背景与意义 背景与意义 国内外研究现状和发展趋势 研究的基本内容与拟解决的主要问题 基本内容 拟解决的主要问题 研究方案、可行性分析及预期研究成果 研究方案 可行性分析 预期研究成果 研究工作计划（进度安排） 参考文献 成绩： 答 辩 意 见 答辩组长签名： 年 月 日 系 主 任 审 核 意 见 签名： 年 月 日 NASA转子37定常流场数值模拟 张颖艳 机械设计制造及其自动化06（2） 选题的背景与意义 压气机的顶存在着叶顶间隙。 背景与意义 叶轮机械的气动性能和效率取决于通流部分的能量损失。叶顶间隙流作为叶片顶部区域的主要流动现象，它和压气机的性能和稳定性密切相关。压气机内部流场存在任何一点压力，密度，速度都不随时间变化的定常流动和任何一点压力，密度，速度有一个随时间变化的非定常流动（也叫时变流动）。叶轮机械内部流场的研究，其目的是采取有效的措施，减小叶栅的气动损失，改善叶轮的力学性能，从而推动叶轮机械的发展[1]。 面对理论和实验方法的困难，数值模拟方法成为较为完整地提供流场信息的主要研究途径。数值模拟是以电子计算机为手段，通过模型建立，条件设定和图像显示的方法，将现实问题转化为虚拟模型的现代研究手段。目前，研究人员普遍运用CFD软件对压气机内部流场进行数值模拟分析。通过数值分析能更真实地反映实验难以确定的流场特性，变工况特性等因素造成的影响。所以，先进的高性能叶轮机械设计对流场数值模拟的依赖性也越来越大。 国内外研究现状和发展趋势 叶顶间隙流作为叶片顶部区域的主要流动现象，它和压气机的性能和稳定性密切相关。自20世纪50年代以来，压气机叶顶间隙流的研究一直都备受叶轮机械气动研究领域的关注。 国内研究现状 对于压气机叶顶间隙流的研究，早些时候就有很多人研究。而近几年，由于信息技术和计算手段的不断发展，国内越来越多的研究人员参与到该领域的研究中，取得的成果备受关注。 在叶顶间隙对压气机性能方面的研究，刘长胜，刘瑞涛，秦国良，孙玉山等人对两个不同的半开始离心压气机叶轮进行不同间隙下的三维粘性流场分析。计算结果发现，压比和效率随间隙大小的增大而减小，对压气机的性能产生很大的影响[2]。马文生，顾春伟等人也做了相关的研究。模拟结果发现，流体在叶片压力面和吸力面压差的作用下穿过叶顶间隙形成泄露流动，并在通道中形成漩涡，与主流流体进行掺混引起熵增，从而影响压气机的效率[3]。 1%左右[4]。此外，对某亚音速轴流压气机的中间三排叶片进行定常与非定常数值模拟，分析在不同的动叶叶顶间隙和静叶气封间隙组合下压气机的流动特性也取得了一定的成果[5]。 西北工业大学动力与能源学院以一轴流压气机孤立转子实验台为研究对象, 对其内部流动进行了全三维的数值模拟。数值计算结果与实验测量结果对比分析表明, 程序很好地预测出了孤立转子的总性能和基元性能[6]。 此外，动叶顶部的流动特性，如间隙流动的形式、造成的损失、泄漏涡的特性等，也有较大的进展。吴艳辉等人对叶尖率先出现失速信号的一亚音速轴流压气机转子作数值模拟。结果表明，不同间隙情况下泄漏涡的运行特性与压气机的性能和稳定性密切相关 [7]。 国外研究现状 随着CFD软件及其他各类技术的发展与完善，国外许多研究者也没取得了举世瞩目的成就。 叶轮机械的气动性能和效率取决于通流部分的能量损失。Rains Dean 对轴流压气机和泵做研究时，提出不论是实验还是理论研究，深入了解叶顶间隙血流就须关注其引起的损失。同时，评价以压气机效率的高低应该参考叶顶间隙流引起的损失[8]。 现代技术的不断发展，叶顶间隙流的测量也更加现代化，更加精确。Lakshminarayana等人利用旋转式五孔探针的方法对以轴流压气机的转子叶片顶部区域进行了详细地测量。对26%的叶高处进行测量，数据解释了叶片顶部区域的流动复杂性，它包括叶顶泄露流、环壁边界层和叶片尾迹的干扰[9]。 吴艳辉等对一小型高速压气机转子近机匣处的流场进行模拟研究。经研究发现，叶顶泄漏涡的破碎发生在近失速情况下的转子通道内。涡破碎导致了低能量流体在外壁处的聚集，造成了外壁边界层堵塞现象的瞬间增长。由于涡破碎的近失速情况下，叶顶间隙涡周围形成了一个低速区。当质量流率进一步下降，该区域迅速积聚，向上游移去。同时，该区域防止来流通过通道的压力面，并推动叶顶泄露流从叶片前缘的压力面涌入邻近的叶片通道。此外，还发现甚至在近失速状态，叶顶泄露流对叶片吸力面边界层的发展产生微小的影响[10]。