叶顶间隙对高速转子流场影响的数值研究毕业论文.docx
《叶顶间隙对高速转子流场影响的数值研究毕业论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《叶顶间隙对高速转子流场影响的数值研究毕业论文.docx（45页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
叶顶间隙对高速转子流场影响的数值研究毕业论文
叶顶间隙对高速转子流场影响的数值研究毕业论文
第1章绪论
1.1研究背景及意义
压缩机动叶的顶端存在叶顶间隙。
由于叶片吸入侧（SS）和压力侧（PS）之间存在压力差，因而在该间隙处会产生从PS到SS的流体流动。
因为这种流动十分复杂，并对压缩机的性能和稳定性存在巨大的影响。
对这种流动的研究一直都是压缩机流动研究领域的热门话题之一。
在实验和研究手段日趋发展的今天，压缩机定常非定常流场的研究仍面临着一些理论及实验测量的困难，因而数值模拟成为了一种普适性的方法。
它不仅避免了实验测量产生的误差，还能节省高昂的实验经费开支，并详细清楚地显示了压缩机流场的复杂变化情况，为压缩机定常非定常流动研究提供了充分的数据支持。
1.2国内外研究现状
作为压缩机动叶顶端的主要流动，叶顶间隙流动与压缩机的性能和稳定性紧密相连，自20世纪50年代以来就一直备受相关科研人员的密切关注。
1.2.1国内研究现状
早些年就有很多人进行过压缩机叶顶间隙流动动的研究。
而近几年，随信息技术和计算手段的不断发展，国内有越来越多的科研人员投入到了该领域的研究中，并取得了不少备受瞩目的成果。
为了研究叶顶间隙对压缩机性能影响，刘长胜等人对两个不同半开式离心压缩机叶轮不同叶顶间隙条件下的三维粘性流场进行了分析。
其分析结果显示，流动效率及压比随间隙大小的减小而增大，对压缩机的性能有巨大的影响[1]。
马文生等人的相关研究结果则表明，由于叶片压力侧和吸入侧存在压差，流体穿过叶顶间隙形成泄露流动，并在通道内形成漩涡流动，与主流流体相互影响从而导致熵的增加，进而影响压缩机的效率[2]。
高学林和袁新利用双重时间步法对某含静叶气封和动叶叶顶间隙的亚音速轴流压缩机中间三排叶片所在的流道进行建模并进行非定常数值模拟，得出非定常计算得出的效率比定常计算高1%左右的结论[3]。
此外，他们还对该压缩机中间三排叶片进行了定常与非定常数值模拟，分析在不同的静叶气封间隙和动叶叶顶间隙组合下压缩机的流动特性，也取得了一定的成果[4]。
西北工业大学动力与能源学院对轴流式压缩机孤立转子实验台的内部流动进行了三维数值模拟。
其数值计算结果与实验测量结果对比分析证明了程序能够准确地预测孤立转子的总性能和基元性能[5]。
此外，动叶顶端流动的特性如：
其造成的损失、泄漏涡的特性、间隙流动的形式等，也有较大的进展。
张燕峰针、楚武利和吴艳辉对叶尖率先出现失速信号的一亚音速轴流压缩机转子作了数值模拟。
其结果表明，不同间隙条件下泄漏涡的运行特性与压缩机的性能及稳定性密切相关[6]。
1.2.2国外研究现状
随着CFD软件及其他各类技术的发展完善，许多国外的研究者也取得不少举世瞩目的成果。
压缩机流动的性能及效率取决于通道流动部分的能量损失。
Rains提出无论实验研究或者理论研究，深入了解叶顶间隙流动就应该关注其引起的损失。
同时，他还说压缩机效率高低的判断应该以叶顶间隙流引起的损失为依据[7]。
随时代的变化，叶顶间隙流动的测量也更加简单、精确。
利用旋转式五孔探针Lakshminara-yana等人详细测量了以轴流压缩机的转子叶片顶端区域。
对26%的叶片高度处进行测量，测量数据解释了叶片顶端区域流动的复杂性，其中包含了叶顶泄露流、叶片尾迹和环壁边界层的干扰[8]。
通过对小型高速压缩机转子近机匣处的流场的数值模拟研究，吴艳辉等人发现叶顶泄漏涡在近失速情况下的转子通道内发生破碎。
涡破碎导致低能流体在外壁处大量聚集，从而造成了外壁边界层严重堵塞。
由于涡破碎的近失速情况，叶顶间隙涡附近形成了一个低速区。
当质量流量进一步减少时，流体在该区域迅速积聚并向上游移去。
同时，该区域会阻止来流通过压力侧，并推动叶顶泄露流从压力侧涌入邻近的叶片通道。
此外，还发现即使在近失速状态，叶顶泄露流也会对吸入侧边界层的发展产生影响[9]。
利用激光多普勒仪Mailach等人对德雷斯顿低速压缩机第三级转子叶片叶栅的周期性非定常流场进行了研究。
并对转子叶片中截面及叶顶等几个展向进行讨论。
此外，借助压力传感器还提供转子非定常流场的相关信息。
其中，叶片中截面的流场是通过取稳定极限附近的一个工作点和设计工作点来观察叶栅的干扰过程。
实验结果显示了转子叶尖间隙涡和定子尾流对叶顶的流场的强大的周期性干扰作用[10，11]。
Chunill等人对动叶叶顶间隙处的漩涡脱落及其造成的旋转失速现象进行了研究[12]。
Künzelmann等人则对多极轴流式压缩机的定常非定常研究进行了综述[13]。
此外Inoue和Kuroumaru利用旋转式五孔探针技术对轴流式压缩机转子叶顶区域的流场进行了详细测量。
其切向，径向和轴向相对速度分量，以及停滞压力和静态压力，均有两个轴向位置，一个在转子下游，另一个在转子后缘。
测量范围包括了26%的叶片。
这些数据体现出叶尖区域复杂流动，受到了环壁边界层，叶片尾迹和叶尖泄漏流的影响。
泄漏射流在叶尖间隙内具有极高的速度并会与主流快速混合，从而产生强烈的流动分离与剪切[14]。
1.2.3发展趋势
作为目前领域内的前沿热点研究领域之一，世界国家一直没有间断过流体机械内部流动细节及流动机理方面的试验研究工作，同时，这是一项巨大而艰苦的工作，需要多方面合作进行。
目前，非定常流动方面的研究国内外学者已经比较深入。
用于压气机动静相干非定常流场和管道内横向射流的研究的研究的粒子图像速度场仪技术（PIV）；用于风机叶轮流场测试等研究的激光多普勒测速技术（LDV）；）用于离心压缩机扩压器流场测试研究及湍流边界层的减阻控制研究[15]的热线风速仪技术（HWA。
这些都是当前比较先进的流场测试分析技术。
但是，目前仍存在一些问题有待进一步解决例如：
计算所需的时间和计算资源；由于问题的复杂性，关于结合动叶叶顶间隙和静叶气封的流动目前尚未有完整的介绍[3]。
此外，当前的计算机水平（计算机内存和速度）在很大程度上限制了数值模拟的进行。
在流体力学领域里，理论分析、实验研究和数值模拟三者互相促进，任何一种研究方法都不可偏废。
但可以肯定是较理论分析和实验研究而言，数值模拟所占的比重将越来越大16]。
1.3NUMECA软件介绍
NUMECA是NUMECA公司的软件－FINE系列软件，她是目前国际上最优秀的软件，她采用了近几年研发出的最先进技术，因此，无论在计算速度、计算精度、所需计算机内存、使用方便程度、界面友好程度等方面都优于其他软件（如：
Fluent和Star-CD等）。
过去几年，FINE系列软件被国际上普遍认为是叶轮机械等内部流动模拟分析的首选软件。
其CFD软件包包括分析软件和设计软件两大类。
分析软件包有FINE/TURBO、FINE/AERO、和FINE/HEXA等，其中均包括前处理，求解器和后处理三个部分。
FINE/TURBO用于内部流动，FINE/AERO用于外部绕流，FINE/HEXA可用内部或外部流动，但为非结构自适应网格。
本文主要采用FINE/TURBO进行分析计算。
FINE/TURBO，可用于任何可压或不可压、定常或非定常、二维或三维的粘性或无粘内部流动的数值模拟。
其中包括：
FINE/TURBO：
可用于任何可压或不可压、定常或非定常、二维或三维的粘性或无粘内部（其中包括任何叶轮机械:
轴流或离心，风机，压缩机，泵，汽轮机，水轮机，船舶推进器，搅拌罐等。
单级或多级，或整机，或任何其他内部流动：
塔体，换热器，分离器，管道，涡壳，阀门，密封等）流动，和各种外部绕流（包括各种水下载运器，飞行器等）的数值模拟。
其中包括：
IGG：
准自动网格生成器。
可生成任何几何形状的多块结构网格。
采用准自动的块化技术和模板技术。
生成网格的速度及质量均远高于其它软件。
是全球最优秀的结构化网格生成器之一。
IGG/AUTOGRID：
自动网格生成器。
可自动生成任何叶轮机械（包括任何轴流，混流，离心机械，可带有顶部、根部间隙，可带有分流叶片，等）的H形，I形和HOH形网格。
该软件已经被国际工业部门认为是用于叶轮机械（航空发动机，汽轮机，水轮机，船舶推进器，泵，压缩机等）最好、最方便及网格质量最好的网格生成软件。
是生成导弹外部流场网格最优秀的软件。
EURANUS：
求解器。
求解三维雷诺平均的NS方程。
采用多重网格加速技术；全二阶精度的差分格式；基于MPI平台的并型处理；可求解任何二维、三维、定常/非定常、可压/不可压，单级或多级，或整个机器的粘性/无粘流动。
可处理任何真实气体；有多中转/静子界面处理方法；自动冷却孔计算的模块；多级通流计算；自动初场计算；湿蒸汽机算；共额传热计算；两相流计算；空化等等。
其多级（10级以上）求解性能良好。
CFVIEW：
功能强大的流动显示器。
可做任何定性或定量的矢量标量的显示图。
特别是可处理和制作适合于叶轮机械（航空发动机，汽轮机，水轮机，船舶推进器，泵，压缩机等）和带翼武器（导弹）的任何S1和S2面，及周向平均图。
该软件已经被国际工业部门认为是用于叶轮机械（航空发动机，汽轮机，水轮机，船舶推进器，泵，压缩机等）和带翼武器最好的后处理软件。
1.4本文研究方案
本课题是采用数值模拟的方法对压缩机转子的内部流场的定常进行模拟。
运用CFD软件包FINE系列软件—FINE/TURBO，对转子内部流场进行研究。
具体步骤如下：
使用IGGTM/AUTOGrid生成压缩机转子的网格，采用结构网格，这种网格的生成质量较高，生成速度也较快。
网格质量的好坏，对于计算的精度、时间、收敛性等都有显著地影响。
在FINETM/TURBO中创建压缩机内部流场的定常计算，导入IGGTM/AUTOGrid中生成的网格，按照试验数据设定数值模拟的相关参数，开始数值模拟计算，改变计算中叶顶间隙的参数，重复以上步骤，得到不同间隙大小情况下的数据。
分析计算所得结果，并使用CFViewTM获得参数云图，比较分析叶顶间隙对压缩机流场的影响，并分析产生影响的原因。
1.5主要研究内容
压缩机的动叶顶端存在叶顶间隙。
在叶顶间隙两侧的压差作用下，部分流体穿过叶顶间隙形成的间隙泄漏流，它严重影响了压缩机性能和稳定性。
本课题就是在定常条件下，对压气机的叶顶间隙流动做数值模拟。
利用NUMECA软件对NASA转子37定常条件下不同间隙的叶顶间隙流动进行数值模拟，从而分析同间隙对转子性能的影响，并做比较。
主要内容如下：
压缩机转子的建模及其网格的划分。
采用IGGTM/Autogrid做前处理，主要是压缩机转子通道的网格生成。
采用Autogrid网格自动生成器，它能快速，有效的生成二维、三维网格并保存。
在FINETM/Turbo中，对压缩机转子内部定常流场进行数值模拟。
使用CFView对数值模拟数据进行后处理，将计算所得数据以图表的形式显示出来，并将不同间隙下的定常数值模拟的数据进行比较，得出结论。
第2章建模及网格划分
要对一个流场进行数值模拟，首先需对模型网格划分，为了得到足够的计算精度，网格划分必须足够细、节点数要足够多。
本文采用了IGG/AUTOGRID网格生成器，IGG/AUTOGRID应用准自动的块化技术和摸板技术，生成网格的速度及质量均远高于其它软件。
2.1NASA转子37
NASA转子37，即跨声速压气机转子，其几何模型如图2-1所示。
NASA转子37是1978年NASALewis研究中心设计的低展弦比跨音速压缩机进口级（相关参数见表2-1）本文将对该转子进行数值模拟，对其效率、压比、马赫数、静压、熵等做深入了解，分析叶顶间隙大小对以上参数的影响，并探讨影响原因。
图2-1NASA转子37几何模型
表2-1NASA转子主要结构参数和设计参数
参数
数值
转子叶片数
36
顶端稠度
1.288
展弦比
1.19
轮毂比
0.7
顶端间隙/mm
0.356
设计转速/（r/min）
17188
设计总压比
2.106
设计等熵效率
0.889
设计流量/（kg/s）
20.19
2.2网格的划分
使用IGGTM/AUTOGrid生成网格，采用H&I结构型网格，设置通道展向61个网格，周向49个网格，叶片前缘至后缘65个网格、进口延伸段29个网格、出口延伸段61个网格，其网格拓扑图如图2-2。
图2-2网格拓扑图
根据理想网格质量的要求：
多重网格的层数一般推荐I/J/K方向最小的层数不小于2；
最终生成的网格不能存在负网格；
原则上，最小正交性角度越大越好，最大网格长宽比越接近1越好，最大网格延展比越接近于1越好。
当实际中，很难达到三者兼得的网格质量。
所以一般要求：
最小网格正交性角度≥10；最大网格长宽比<5000；最大网格延展比<10。
因网格质量不能满足要求，故采用HOH网格对网格重新进行划分，它的网格质量较H&I结构型网格质量要好。
其网格划分如图2-3，其网格质量检测结果及具体细节如图2-4，2-5，2-6，2-7。
图2-3网格划分
图2-4网格质量检测
图2-5网格拓扑图
图2-6前缘网格图
a.叶根网格图
b.叶顶网格图
图2-7叶根，叶顶的网格图
第3章数值计算和边界条件设定
流场数值模拟数学模型包括流体力学基本方程和用于理论研究的简化模型方程，它们是数值计算的理论基础。
其基本出发点：
质量守恒，能量守恒和动量守恒定律。
本文研究压缩机转子叶顶间隙处流场，其流体为空气，选用完全气体，其具体参数如图3-1所示。
图3-1工质
3.1控制方程及湍流模型
NavierStokes（纳维－斯托克斯）方程是流体力学中描述粘性牛顿流体的方程，是目前为止尚未被完全解决的方程。
它是从动量、质量、能量守恒的基本原理导出的，认为流体是连续的，且所有涉及到的场（密度、速度、压强、温度等）都是可微的。
具体方程组如下：
连续方程：
（3-1）
运动方程：
（3-2）
能量方程：
（3-3）
它可以转化成守恒形式在三维直角坐标系下，守恒型方程组为：
（3-4）
其中Ev、Fv、Gv为黏性流项，E、F、G为无黏流项。
式3.4中的U、E、F、G等为五维矢量，表达式为
τij（i，j=x，y，z）为黏性应力张量，e为内能，在直角坐标系下，表达式为：
由于方程组不封闭，还需补充数学关系式。
第一，状态方程：
e=e（ρ，T）。
对于完全气体1有：
第二，物性系数与状态参数的关系式：
k=k（ρ，T）和μ=μ（ρ，T）。
基于层流流动，
k和Μ常采用Sutherland公式确定。
目前工程实际中大都采用雷诺平均Navier-Stokes方程方法即RANS（Reynolds-AveragedNavier-Stokes）方法进行流场计算。
本文计算的流场为定常流场，也即公式（3-1）、（3-2）、（3-3）中的时间项在数值计算时为零。
本文采用了Baldwin-Lomax湍流模型对相对坐标系下的三维雷诺平均Navier-Stokes方程（Re=7298000）进行求解，采用显示四阶Runge-Kutta法时间推进法获得定常解。
Baldwin-Lomax湍流模型具体计算方式如下：
湍流黏性系数μt表示为
（3-5）
Ycross为内外层黏性系数计算公式所计算出的黏性系数相同点所对应的y的最小值。
（3-6）
其中：
，
（3-7）
（3-8）
其中：
（3-9）
（3-10）
Fmax为F（y）最大值，对应于该值的y为ymax。
（3-11）
（3-12）
对于附面层流动，
=0，所以有：
A+=26，Ccp=1.6，Ckleb=0.3，Cwk=0.25，k=0.4，K=0.0168（3-13）
3.2边界条件设定及初始解
边界条件与初始条件设定是控制方程有唯一解的前提条件。
初始条件是所研究对象在过程开始时刻各个求解变量的空间分布情况，对于稳态问题，可以不用给定，瞬态问题，则必须给定初始条件。
边界条件是在求解区域的边界上所求解的变量或其导数随地点和时间的变化规律。
对于边界条件与初始条件的处理，将直接影响计算结果的精度。
.
3.2.1边界条件
1进口边界
本文模拟的转子为亚音速流动，故边界条件给定为平均总压和总温，并认为气流方向为轴向进气，其总压为101325Pa，总温为288.2K具体如图3-2。
图3-2进口边界条件
2出口边界
因为本文进口为亚音速流动，其出口边界需给定平均半径处的静压。
如果局部变成超音速，则需根据前面来流条件外推出口边界条件。
本文为亚音速流动，故采用径向平衡方程计算沿径向的静压分布，其静压值为90000Pa，半径为0.22m，具体如图3-3。
图3-3出口边界条件
3固壁边界
本文设定固壁边界条件为绝热，叶片转速为-17188r/min，叶顶转速为0，叶根转速也为-17188r/min，其他参数为Rmin=0.16m，Rmax=0.19m；Zmin=0.0015m，Zmax=0.045m），具体如图3-4，3-5，3-6所示。
图3-4叶根处的边界条件
图3-5叶顶处的边界条件
图3-6叶片处的边界条件
4周期性条件
无特殊要求采用默认设置。
图3-7周期性条件
3.2.2初始条件
除了要在计算开始之前初始化相关的数据外，不需要其他特殊处理。
给定初始条件时要注意的是：
初始条件一定是物理上合理的；要针对所有计算变量，给定整个计算域内各单元的初始条件。
本文做如图3-8处理。
图3-8初场设定
3.3收敛准则
1全局残差
全局残差下降三个量级或以上，如图3-9
图3-9全局残差
2各块中残差
由于各块中流动特性以及网格质量的不同，每一块中残差的下降幅度也会有所不同。
但计算中每一块中的残差最好都下降三个量级以上。
3进出口流量
收敛准则中最重要的一个参数之一。
建议相对误差要小于0.5%，且流量不再改变，如图3-10。
此外，如果有大分离涡（尤其时进出口处），流量收敛曲线会发生振荡，此时由于迭代中分离涡的位置和强度都会发生变化（但这种变化近似于周期性）。
在这种情况下，也可认为是计算收敛。
4流场当地值
计算迭代收敛时，流场每一点处的参数值不应当再发生变化，或者对于有分离涡情况，涡内某一点的参数应当为周期性变化。
该变化可以在FINE界面中跟踪某一特性点进行观察。
5总体参数
对于定常计算，所有的总体性能（扭矩、效率、推力等）都应当为恒定值，不再随迭代步数而发生变化。
对于有大分离的情况下，这些参数会呈现周期性变化，这两种情况下也可以认为计算收敛。
图3-10进出口质量流量随迭代步数变化图
第4章
计算结果分析
4.1叶顶间隙取值
本文以NASA转子37为研究对象，对其不同叶顶间隙情况下的流场进行数值模拟，分析不同叶顶间隙情况下间隙流动的特性，并研究其对压缩机性能及其他参数的影响。
对叶顶间隙采用弦长进行无量纲化处理，计算式：
其中r为间隙大小（mm），chord为弦长。
所选取的间隙分别为1%，1.5%，2%，2.5%，3%。
动叶设计转速为17188r/min。
各间隙大小具体如表4-1，其中弦长为56.7mm。
表4-1叶顶间隙
r*
叶顶间隙r（m）
1.0%
0.0006
1.5%
0.0009
2.0%
0.0011
2.5%
0.0014
3.0%
0.0017
4.2计算结果分析
图4-1是不同间隙下的静压比变化情况。
由图可知，随着间隙的增大，叶片静压比下降。
P2/P1（-）
图4-1静压比—间隙图
效率是评判压缩机性能高低的重要指标。
图4-2,4-3分别给出了等熵效率、多变效率与间隙大小的关系。
多变效率和等熵效率的计算公式如下：
其中：
Pt1、Tt1——进口总压、进口总温；
Pt2、Tt2——出口总压、出口总温；
γ——比热比
由图可知，当间隙不断增大时，等熵效率与多变效率均呈现下降趋势；即叶顶间隙大小会影响压缩机性能。
表4-2是不同间隙下，计算得到的压比与进出口质量流量的总结。
图4-4给出了是压比与质量流量之间的关系图。
由表4-2中数据及图4-4可知，在不同间隙下，当进口总压不变时，压比增大，进出口流量也增大。
η（-）
图4-2等熵效率—间隙图
η（-）
图4-3多变效率—间隙图
表4-2压比与进出口质量流量
r*
间隙（mm）
静压比
进口质量流（kg/s）
出口质量流（kg/s）
平均质量流（kg/s）
1.0%
0.0006
1.059
20.58
20.24
20.41
1.5%
0.0009
1.057
20.50
20.16
20.33
2.0%
0.0011
1.050
20.18
19.85
20.02
2.5%
0.0014
1.042
19.78
19.48
19.63
3.0%
0.0017
1.048
19.64
19.34
19.49
P2/P1（-）
图4-4压比平均质量流量关系图
为分析不同间隙对压缩机的影响，以下给出了96.67%叶高处不同叶顶间隙条件下，叶片马赫数、静压及熵的分布图，详见图4-5、4-6、4-7。
以下对这些图做简要的分析：
图4-5为96.67%叶高处的各间隙（1%，1.5%，2%，2.5%，3%）马赫数分布图。
由图可见，随着叶顶间隙的增大，激波强度增大，尤其是激波间断面的左侧马赫数随之增加。
此外，叶顶间隙增大的同时，激波间断面的位置发生变化，尤其叶片吸入侧较为明显，且向叶片前缘处移动。
图4-6为96.67%叶高处的各间隙（1%，1.5%，2%，2.5%，3%）静压分布图。
结合图4-5可见，在激波间断面的左侧，不同间隙下的马赫数随间隙值的增大而增大，静压值也增大；在激波间断面的右侧，不同间隙下的马赫数随间隙值的增大而减小，静压值也减小。
图4-7为96.67%叶高处的各间隙（1%，1.5%，2%，2.5%，3%）熵分布图。
由图可见，在激波间断面处，熵增加的程度随间隙值的增加而变大。
同时，最大熵位置发生变化，并向叶片前缘移动。
a）1%叶顶间隙处马赫数分布图
b）1.5%叶顶间隙处马赫数分布图
c）2%叶顶间隙处马赫数分布图
d）2.5%叶顶间隙处马赫数分布图
e）3%叶顶间隙处马赫数分布图
图4-596.67%叶高处的各叶顶间隙处马赫数分布图
a）1%叶顶间隙处静压分布图
b）1.5%叶顶间隙处静压分布图
c）
升级会员 