第四章 进排气管内非定常流的数值分析

关于涡轮级内非定常流场的数值研究1 引言在叶轮机内由于动静叶的相对运动使得叶栅内流动具有很强的非定常性，尾迹与势流的交替干扰引起压力场随时间周期性的变化。

动静干涉不仅影响叶轮机械的工作性能，而且也会因为产生非定常的气动力而影响叶轮机械的疲劳寿命，因此研究动静干涉对于提高叶片的寿命和可靠性具有重要意义并且引起了越来越多的关注。

不少学者对转静干涉对叶轮机械性能的影响进行了研究，近些年随着实验测量手段的进步和粘性流场数值方法的发展,研究者对叶列间干扰有了进一步的研究和认识。

当前研究较多的是上游叶片的尾迹和下游叶片的势扰动对叶片非定常表面压力和气动力的周期性影响[1-2] 。

Denos[3] , Valenti[4]和Miller[5，6]对涡轮中尾迹与叶片的干扰进行了实验研究。

黄伟光等人采用数值方法研究了涡轮在非定常条件下的叶片气动力[7]。

王英锋等人对上游叶片尾迹对转子叶片非定常表面压力频谱特性影响进行了研究[8]。

本文对涡轮级内的动静相干非定常流场进行了数值模拟，主要研究了动静部件受非定常的影响效应，探讨了离涡轮级内非定常相干的机理。

2 数值计算方法2.1 基本控制方程及数值算法流场的计算采用了UNSTREST 程序，该程序是基于薄边界层近似的N－S 方程的流场求解代码。

采用了二阶精度显式的SCREE 格式，其仅需要非常小的人工粘性，可以在非常低的马赫数下运行，也可以在跨音速甚至超音速马赫数下求解。

在非定常计算中引入了隐式的双时间步方法。

表面剪切应力通过物面上第一个网格点上的特定Y+ 值和速度值来计算。

2.2 边界条件计算中给定了整个级的进出口条件。

在静子的进口边界处给定了总温、总压和气流角；在转子的出口边界上给定了静压，并使用了径向平衡。

上下游延伸部分的周向边界采用周期性边界条件。

对于固体壁面，取不可渗透、无滑移及绝热壁面边界条件，以确保通过与固体边界重合的网格面的质量流量、动量通量及能量通量为零。

定常流动流体（气体、液体）流动时，若流体中任何一点的压力，速度和密度等物理量都不随时间变化，则这种流动就称为定常流动；反之，只要压力，速度和密度中任意一个物理量随时间而变化，液体就是作非定常流动或者说液体作时变流动。

所以，定常流动时，管中流体每单位时间流过的体积(体积流量)qV为常量，流体每单位体积的质量(密度)ρ也是常量。

非定常流动流体的流动状态随时间改变的流动。

若流动状态不随时间而变化，则为定常流动。

流体通常的流动几乎都是非定常的。

分类按流动随时间变化的速率，非定常流动可分为三类：①流场变化速率极慢的流动：流场中任意一点的平均速度随时间逐渐增加或减小，在这种情况下可以忽略加速度效应，这种流动又称为准定常流动。

水库的排灌过程就属于准定常流动。

可认为准定常流动在每一瞬间都服从定常流动的方程，时间效应只是以参量形式表现出来。

②流场变化速率很快的流动：在这种情况下须考虑加速度效应。

活塞式水泵或真空泵所造成的流动，飞行器和船舶操纵问题中所考虑的流动都属这一类。

这类流动和定常流动有本质上的差别。

例如，用伯努利方程（见伯努利定理）描述这类流动，就须增加一个与加速度有关的项，成为：,式中为理想流体沿流线的速度分布；A和B表示同一流线上的两个点;P 为压强;为密度；g为重力加速度；z为重力方向上的坐标；ds为流线上的长度元。

③流场变化速率极快的流动：在这种情况下流体的弹性力显得十分重要，例如瞬间关闭水管的阀门。

阀门突然关闭时，整个流场中流体不可能立即完全静止下来，速度和压强的变化以压力波（或激波）的形式从阀门向上游传播，产生很大的振动和声响，即所谓水击现象。

这种现象不仅发生在水流中，也发生在其他任何流体中。

在空气中的核爆炸也会发生类似现象。

除上述三类流动外，某些状态反复出现的流动也被认为是一种非定常流动。

典型的例子是流场各点的平均速度和压强随时间作周期性波动的流动，即所谓脉动流，这种流动存在于汽轮机、活塞泵和压气机的进出口管道中。

汽车排气系统的声学性能及流场特性的数值分析研究的开题报告摘要：汽车排气系统的声学性能和流场特性一直是研究的热点之一。

本文将使用计算流体力学（CFD）方法对汽车排气系统的声学性能和流场特性进行数值分析研究。

首先，将建立汽车排气系统的几何模型，然后使用CFD软件进行数值模拟，分析汽车排气系统内部的气流分布、压力分布、温度分布、声压级等参数。

最后，将通过与实验结果的对比来验证数值模拟结果的准确性和可靠性。

关键词：汽车排气系统；声学性能；流场特性；计算流体力学；数值分析一、研究背景和意义近年来，汽车行业的快速发展使得人们对于汽车排气系统的声学性能和流场特性的研究越来越重视。

汽车排气系统的声学性能和流场特性不仅对于排放控制、节能减排等方面有着重要的作用，同时也会直接影响到汽车的性能指标和驾驶舒适度。

因此，对汽车排气系统的声学性能和流场特性进行深入研究，不仅有助于改善汽车排气系统的工作效率和性能指标，还能提高汽车的安全性和舒适性，从而为汽车产业的可持续发展做出贡献。

二、研究内容和方法本文将采用计算流体力学（CFD）方法对汽车排气系统的声学性能和流场特性进行数值分析研究。

具体而言，将分以下几个方面展开研究：1、建立汽车排气系统的几何模型，包括排气管、中段消声器、尾气消声器等组成部分。

2、使用CFD软件对汽车排气系统进行数值模拟，分析汽车排气系统内部的气流分布、压力分布、温度分布、声压级等参数。

3、通过参数的变化来分析汽车排气系统的声学特性和流场特性，并优化排气系统的结构、材料和参数等方面的设计，以提高汽车排气系统的性能指标和工作效率。

三、研究进展和计划目前，本文已经完成了对汽车排气系统的几何模型的建立，并开始进行基于CFD 方法的数值模拟研究。

计划在接下来的研究中，将进行如下工作：1、采用声学仿真方法，对汽车排气系统在不同工况下的噪声特性进行数值模拟，并与实验结果进行对比验证。

2、通过对汽车排气系统内部气流分布的数值模拟，分析气流的流速、压力、温度等参数，以及气流中的湍流特性，为排气系统的优化设计提供依据。

收稿日期：2001-02-12；修订日期：2001-05-23基金项目：国家自然科学基金资助项目（59876028）作者简介：刘立军（1970-），男，西安交通大学能源与动力工程学院博士生.第17卷第1期2002年1月航空动力学报Journal of Aerospace PowerVoi.17No.1!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!Jan.2002文章编号：1000-8055（2002）01-058-07离心式压气机模型级内非定常流动的数值试验刘立军，徐忠，张玮（西安交通大学能源与动力工程学院，陕西西安710049）摘要：应用同位网格下的压力校正算法和滑移网格技术，在贴体曲线坐标系下，对离心式压气机模型级内部由于叶轮与叶片扩压器相互作用引起的三维非定常湍流流场进行了数值模拟。

计算结果表明，在设计工况下，由于叶轮与叶片扩压器的相互作用引起的非定常干涉流动，对整级内部流动有非定常影响。

速度场的非定常特性主要表现在叶轮与叶片扩压器间的径向间隙范围内和扩压器的入口处，在叶轮和扩压器叶道内部衰减很快。

而压力脉动同时向流道的上下游传播，在叶轮和扩压器内部流动仍具有显著的压力非定常脉动。

计算结果还模拟了扩压器入口处运动涡系与扩压器叶片的相互作用及其周期性衍灭过程。

关键词：非定常流动；离心压气机；数值试验；叶轮/扩压器相互作用中图分类号：0356文献标识码：ANumerical Experiment of the Unsteady Flow in a Centrifugal Compressor Stage Model Dueto Impeller /Diffuser InteractionLIU Li-jun ，XU Zhong ，ZHANG Wei（Xi ’an Jiaotong University ，Xi ’an 710049，China ）Abstract ：Using the technigue of coiiocated grid scheme and siiding mesh ，coupied with standard k-!turbuience modei ，the computation of the unsteady fiow in a centrifugai compressor stage modei due to im-peiier /diffuser interaction is performed by a pressure-based aigorithm under the generai curviiinear coordi-nate system.The computation resuits show that ，the impeiier /diffuser interaction has unsteady effect on the whoie fiow fieid of the stage.The unsteady component of the veiocity is marked in the gap between the im-peiier and diffuser ，whiie vanishes guickiy in the biade channeis of the impeiier and diffuser.However ，the pressure unsteadiness due to the impeiier /diffuser interaction remains obviousiy throughout the biade chan-neis.The resuits simuiate the impingement of the fiow from the impeiier on the diffuser biades adjacent downstream ，and ，the transportation of the vortex series at the diffuser iniet and its interaction with the dif-fuser biades ，which may resuit in noise.Key words ：unsteady fiows ；centrifugai compressor ；numericai simuiation ；impeiier /diffuser interaction!前言在叶轮机械内部，由于动/静叶片排之间的相对运动，流场不仅在空间上极不均匀，而且在时间上表现为强非定常流动。

定常流动流体（气体、液体）流动时，若流体中任何‎一点的压力，速度和密度等‎物理量都不随‎时间变化，则这种流动就‎称为定常流动‎；反之，只要压力，速度和密度中‎任意一个物理‎量随时间而变‎化，液体就是作非‎定常流动或者‎说液体作时变‎流动。

所以，定常流动时，管中流体每单‎位时间流过的‎体积(体积流量)qV为常量，流体每单位体‎积的质量(密度)ρ也是常量。

非定常流动流体的流动状‎态随时间改变‎的流动。

若流动状态不‎随时间而变化‎，则为定常流动‎。

流体通常的流‎动几乎都是非‎定常的。

分类按流动随时间‎变化的速率，非定常流动可‎分为三类：①流场变化速率‎极慢的流动：流场中任意一‎点的平均速度‎随时间逐渐增‎加或减小，在这种情况下‎可以忽略加速‎度效应，这种流动又称‎为准定常流动‎。

水库的排灌过‎程就属于准定‎常流动。

可认为准定常‎流动在每一瞬‎间都服从定常‎流动的方程，时间效应只是‎以参量形式表‎现出来。

②流场变化速率‎很快的流动：在这种情况下‎须考虑加速度‎效应。

活塞式水泵或‎真空泵所造成‎的流动，飞行器和船舶‎操纵问题中所‎考虑的流动都‎属这一类。

这类流动和定‎常流动有本质‎上的差别。

例如，用伯努利方程‎（见伯努利定理‎）描述这类流动‎，就须增加一个‎与加速度有关‎的项，成为：,式中为理想流‎体沿流线的速‎度分布；A和B表示同‎一流线上的两‎个点;P 为压强;为密度；g为重力加速‎度；z为重力方向‎上的坐标；ds为流线上‎的长度元。

③流场变化速率‎极快的流动：在这种情况下‎流体的弹性力‎显得十分重要‎，例如瞬间关闭‎水管的阀门。

阀门突然关闭‎时，整个流场中流‎体不可能立即‎完全静止下来‎，速度和压强的‎变化以压力波‎（或激波）的形式从阀门‎向上游传播，产生很大的振‎动和声响，即所谓水击现‎象。

这种现象不仅‎发生在水流中‎，也发生在其他‎任何流体中。

在空气中的核‎爆炸也会发生‎类似现象。

除上述三类流‎动外，某些状态反复‎出现的流动也‎被认为是一种‎非定常流动。

气动充放气系统二维非定常流场数值模拟朱冬;杨庆俊;包钢【摘要】以典型气动系统为研究对象，考虑系统内部气体、元件和环境空气之间的耦合传热，将系统内部流场、元件和外部空气作为整体进行研究，建立气动充放气系统的二维模型，采用湍流κ-ε两方程模型，利用有限体积法(FVM)和动网格技术对充放气过程进行计算，得到系统内气体状态参数。

在充放气过程中，气体速度最大值出现在放气管出口处，可达到超声速范围；气缸中温度梯度主要存在于内壁面处。

在系统元件中，进气节流口壁面温度的上升幅度最大，放气节流口壁面及紧邻的气管壁面温度降幅最大。

通过试验验证本方法的可行性，为非定常流场的计算和分析提供参考。

%Considering the coupling heat transfer of pneumatic components, air inside the system and ambient air, the flow field inside system, components and air outside system of typical pneumatic system treated as research object were investigated as an entirety. And the two-dimension model of pneumatic charging and discharging system was putted forward. The unsteady flow field was calculated by finite volume method (FVM) and dynamic mesh with the turbulence k-ε model. The results show that the air's maximal velocity appears at the outlet of the discharging pipe, which is faster than speed of sound in the charging and discharging process, and the temperature gradient inside cylinder exists nearby the cylinder wall. Among the components, the temperature of charging speed controller rises most, and the temperature of discharging speed controller and the neighboring pipe reduces most. The calculation results are consistent with those of experiment, which validates theproposed method is feasible. It illustrates a new way for calculation and analysis of unsteady flow field.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(042)006【总页数】6页(P1663-1668)【关键词】气动系统;充放气;非定常流;有限体积法【作者】朱冬;杨庆俊;包钢【作者单位】哈尔滨工业大学气动技术中心,黑龙江哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学气动技术中心,黑龙江哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学气动技术中心,黑龙江哈尔滨,150001【正文语种】中文【中图分类】TH138随着气动系统在现代工业中越来越广泛的应用，人们对气动系统运行过程中压缩空气的状态变化越来越关注[1-3]。

进排气系统热力过程计算第四节进、排气系统热力过程计算31 概述3-13-2 排气管内的热力过程计算（容积法）3-3 一维非定常流动方程3-4 特征线法3-5 特征线法计算的边界条件3-6 中冷器的计算3‐1 概述内燃机进、排气管系受其通道形状的影响，其内部具有明显的三维流动特征。

另外，由于通道的间断开启和活塞的周期运动，使进、排气系统内的流动具有非定常流动的性质。

根据进、排气管系统结构参数和运转参数的不同，这种非定常流动，将导致进、排气阀前后形成程度不同的压力波动，这种波动与缸内气体状态有很大关系，所以进、排气系统内的瞬时气体状态取决于缸内的气体状态和进、排气系统的分的瞬时气体状态取决于缸内的气体状态和进排气系统的分支情况；另一方面，进、排气阀处的压力波动对换气效果又有很大影响，反过来又将影响缸内热力过程。

若计算中考虑有很大影响反过来又将影响缸内热力过程若计算中考虑到进、排气系统的压力波动，就必须建立描述进、排气管系统中气体状态瞬时变化的微分方程式。

此外，在进行废气涡轮增压发动机的模拟计算时，还须将管路系统与废气涡轮增压器联系起来加以考虑。

因此，进、排气系统的热力过程计算既是复杂的又是非常重要的。

为了简化计算，对进、排气系统按不同的计算要求分别进行简化处理。

目前，管内流动的一般计算方法，大体分别进行简化处理目前管内流动的般计算方法大体可分为容积法、小扰动法、特征线法和差分法。

1.容积法：它把进、排气管系视为一个零维容器，忽略管内压力波动的传播，将实际的不稳定流动作为准稳定流动处理，内压力波动的传播将实际的不稳定流动作为准稳定流动处理认为状态参数只随时间变化．对中、低速柴油机或排气管相对来说较短的情况下，特别对中低速柴油机或排气管相对来说较短的情况下特别是为了求得整机综合热力参数或与涡轮增压器配合计算等，可以忽略管内压力波的传播，而用常微分方程对管内热力过程进行描述。

这样就避免使用复杂的运算，从而使计算大大简化，行描述这样就避免使用复杂的运算从而使计算大大简化运算时间亦可大大缩短。

非定常绕流主动控制的数值分析汪健生;田永生【摘要】为抑制圆体后尾流区涡脱落,降低流动阻力;在主圆柱体后方以上下对称方式各设置一旋转小圆柱体,以此实现对流场的控制.采用数值模拟方法,对采用此控制策略下的二维非稳态圆柱绕流尾流流动特性进行了分析研究;考察了Re=200时,附属小圆柱旋转速度α及旋转方向对主圆柱尾流流动特性的影响.数值模拟结果表明:当上部小圆柱顺时针旋转、下部小圆柱逆时针旋转时,可以抑制涡脱落并降低流动阻力;当α=2.4时即可实现对主圆柱体尾流区涡脱落的抑制效果;同时阻力系数和升力系数得到较大幅度降低,圆柱绕流的尾流流动特性被完全改变,有效控制了尾流区的不稳定性;而当上部小圆柱逆时针旋转、下部小圆柱顺时针旋转时,会导致尾流涡量增强,阻力及升力系数增大.%In order to suppress vortex shedding and reduce drag,an active control is implemented by two symmetrical affiliated cylinders with fixed rotation,which are located right behind the main cylinder. Numerical study on this active control is employed for the two-dimensional unsteady flow around the cylinder. Numerical simulations are performed in a range of rotation speed α and different directions of rotation at Reynolds number of 200. The numerical simulation result indicates that when the upper small cylinder spins clockwise and the bottom cylinder spins counterclockwise,the purpose can be achieved. When α equals to 2. 4,vortex shedding of wake fluid of the main cylinder is suppressed completely. When the rotation directions of two affiliated cylinders are different,the vorticity is reinforced and the drag and lift coefficients are increased.【期刊名称】《化工学报》【年(卷),期】2012(063)012【总页数】7页(P3784-3790)【关键词】圆柱绕流;主动控制;压力系数;附属圆柱【作者】汪健生;田永生【作者单位】天津大学机械工程学院,中低温热能高效利用教育部重点实验室,天津300072;天津大学机械工程学院,中低温热能高效利用教育部重点实验室,天津300072【正文语种】中文【中图分类】O357流体流过钝头体的绕流与尾流的问题，一直是学者们关注的焦点，控制和了解尾流特性，对科学研究及工程应用有着重要的意义。

内燃机进排气管有限容积法一维非定常流模拟
张江城;顾宏中
【期刊名称】《上海交通大学学报》
【年(卷),期】1999(33)3
【摘要】应用有限容积法对发动机排气管系中的气体流动作模拟计算．该方法是
以往一维非定常流动计算方法的进一步发展．与特征线法相比，具有计算稳定、质量流量误差小等优点．文中对该方法的模型作了简述，并以８Ｌ２４０Ｚ四冲程柴油机为例，进行了模拟计算，包括：发动机的性能参数、排气管系的压力波动情况、质量流量误差等．计算结果表明。

【总页数】3页(P339-341)
【关键词】内燃机;非定常流;进气管;排气管;有限容积法
【作者】张江城;顾宏中
【作者单位】上海交通大学动力与能源工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TK403;TK413.45
【相关文献】
1.基于网格速度法的非定常流场模拟和动导数计算 [J], 郭东;徐敏;陈士橹
2.基于动态非结构重叠网格法的直升机前飞非定常流场数值模拟研究 [J], 田书玲;伍贻兆;夏健
3.不均匀进流场下螺旋桨非定常力的数值模拟 [J], 张凯奇;叶金铭;于安斌
4.基于时空守恒方法的内燃机进排气系统一维非定常流计算模拟 [J], 文华;刘永长;魏明锐
5.非定常二维Navier-Stokes方程流函数-涡度形式的特征-混合有限元数值模拟[J], 周兆杰;陈焕贞
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