类车体尾迹流动非定常特性
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水翼非定常空化流动中湍流模型研究李雨濛; 陈晖; 项乐; 张亚太【期刊名称】《《火箭推进》》【年(卷),期】2019(045)006【总页数】9页(P29-37)【关键词】水翼; 空化流动; 非定常; 湍流模型; MFBM【作者】李雨濛; 陈晖; 项乐; 张亚太【作者单位】西安航天动力研究所液体火箭发动机重点实验室陕西西安710100【正文语种】中文【中图分类】V431; TV131.320 引言近年来航天不断发展,液体火箭发动机作为重要的动力来源也不断更新换代。
新一代液体火箭发动机以液氢液氧或液氧煤油作为推进剂,比冲高,推力大,工作时间长,在大型运载火箭上得到广泛应用。
涡轮泵作为液体火箭发动机的核心部件,在高转速的环境下工作易导致涡轮泵内出现空化,影响液体火箭发动机的可靠性[1-5]。
空化作为水力机械中经常出现的一种现象,会造成水力机械性能明显降低[6],材料表面破坏,引起振动和噪声等[7-8]。
空化对动态响应特性的改变会使流动内部出现不稳定性,多个国家在研究液体火箭发动机涡轮泵时都碰到过空化不稳定带来的问题乃至事故。
例如,在日本H-2火箭的第8次发射中,空化不稳定诱发的脉动频率与泵前导流叶片固有频率相近,引起共振导致叶片疲劳断裂,转子失衡及摩擦,并最终导致发动机停机发射失败。
为了减小空化不稳定带来的危害,各国学者做了多方面研究[9]。
由于水力机械几何过于复杂,便从较为简单的水翼非定常空化入手。
时素果等[10]研究了热力学效应对空化水动力脉动特性的影响,得到了水翼升力在非定常空化阶段的特征频率。
Wang等[11]研究了附着空化流动,对空化初生进行了探究。
Leroux等[12]对水翼的云状空化进行研究,发现翼型表面不同位置压强随时间变化不同,得到云状空化两种不同的动态特性。
尹必行等[13]采用试验研究与数值模拟相结合的方法研究绕水翼ys930的非定常空化流场结构,得到片状空化和云状空泡两个不同的阶段。
2级涡轮内部流动定常与非定常计算差异研究杨杰;周颖;潘尚能;卢聪明【摘要】为获取进而认识涡轮内部流动状态,以某2级约化形式的动力涡轮为研究对象,分别对其进行定常和非定常数值计算和分析.研究表明:定常计算与非定常计算对涡轮内部流动的模拟结果,如叶片表面的压力分布、叶排进出口的气流角、叶片通道中的二次流流向涡、展向涡、叶片通道中的损失等,均存在差异;流动的非定常性越强,定常与非定常计算结果的差异越大,且该差异大小对于静叶与动叶呈相反的展向分布规律.【期刊名称】《航空发动机》【年(卷),期】2016(042)003【总页数】7页(P21-27)【关键词】涡轮;内部流动;定常;非定常;数值模拟;涡;航空发动机【作者】杨杰;周颖;潘尚能;卢聪明【作者单位】中航工业航空动力机械研究所,湖南株洲412002;中航工业航空动力机械研究所,湖南株洲412002;中航工业航空动力机械研究所,湖南株洲412002;中航工业航空动力机械研究所,湖南株洲412002【正文语种】中文【中图分类】V231.3引用格式:杨杰,周颖,潘尚能,等.2级涡轮内部流动定常与非定常计算差异研究[J].航空发动机,2016,42(3):21-27.YANG Jie,ZHOU Ying,PANShangneng,et al.Study of differences between steady and unsteady computation for two-stage turbines internalflow[J].Aeroengine,2016,42(3):21-27.对涡轮内部流动的数值模拟是获取进而认识涡轮内部流动状态的重要手段,有定常计算和非定常计算2种方法。
定常计算方法所需的计算机硬件资源少、花费的机时少,能快速获取模拟结果。
涡轮内部的流动本质上是非定常的,定常的数值计算必然会丢失相关的非定常信息,无法获取非定常流动特征。
掌握定常计算结果与非定常计算结果之间的差异是衡量选用何种计算方式的重要依据,更是工程计算中用定常计算代替非定常计算的必要前提。
高超声速空气动力学对于高超声速尾迹稳定性的研究非常少,早期的研究主要是以实验为主,1964年,Lyons等[83]对高超声速圆锥和圆球绕流的阻力、稳定性和尾迹特征进行了实验研究,其得出了圆锥尾迹从层流到湍流的转捩雷诺数,利用阴影技术得到层流和湍流情况下的圆锥尾迹。
1972年,Finson[84]利用阴影法对高超声速高雷诺数尾迹进行了实验研究,得到了圆锥层流和湍流边界层的尾迹阴影图。
2002年,Maslov[85]等利用电子束方法对高超声速钝锥和尖锥绕流的流动稳定性进行了实验研究,对在自然扰动和人工有限振幅扰动情形下的圆锥稳定性进行了实验研究。
2004年,Nishio[86]等利用放电方法对高超声速太空舱的尾迹稳定时间进行了实验研究,得出了其尾迹结构及其稳定时间。
2006年,Danehy和Wilkes[87]等在马赫数10风洞中利用平面激光诱发荧光法(PLIF)对X-33机身尾迹流场、开洞平板绕流、70度钝锥带圆柱尾部模型的尾迹、Apollo太空舱尾迹4个模型进行了实验研究,显示了各种模型尾迹结构图像。
步入21世纪后,研究人员开始逐步采用数值计算的方法来研究底部流动及尾迹结构。
由于底部流动及尾迹结构十分复杂,国外的研究人员大都采用DNS方法、RANS/LES方法以及DES方法,以此获得底部流动及尾迹的湍流结构,但对其演化机理研究甚少。
2005年,Sandberg[88]等利用DNS方法对超声速圆柱底部流动的转捩现象进行了研究,其获得了底部流动演化过程中的多种结构。
2006年,Sivasubramanian[89]等利用RANS/LES方法及DES方法对超声速轴对称导弹外形的底部流动进行了研究,获得了底部流场的湍流结构,并采用船形后体实现了底部流动湍流结构的被动控制。
2007年,Sinha[90]采用DES方法对高超声速再入式飞行器的底部流场进行了研究,获得了底部流动的非定常现象,分析了底部流动的雷诺数效应。
纳米尺度圆柱绕流尾迹区流动形式模拟研究李印实;何雅玲;孙杰;陶文铨【期刊名称】《力学学报》【年(卷),期】2008(40)3【摘要】采用非平衡分子动力学模拟方法,对微尺度低Re数下的圆柱绕流问题进行了研究,模拟结果表明:当Re<12时,圆柱下游形成对称、无分离的定常流;当Re >20时,圆柱下游形成周期性交替出现的对称涡;当12<Re<20时,圆柱下游开始存涡形成,但并不是稳定的涡对,而是处于上述两个区域的过渡阶段.上述前两区域的流动特性与宏观尺度下的特性相同,但得到的Re数范围不同.当来流速度超过当地音速后,没有涡的产生,而是在下游紧靠近壁面的区域内形成了空穴,且下游伴随有物理量的突变.上述微观尺度与宏观尺度的不同流动特性,表现出了流动状态的变化具有明显的尺度特征.【总页数】8页(P323-330)【作者】李印实;何雅玲;孙杰;陶文铨【作者单位】西安交通大学能源与动力工程学院,动力工程多相流国家重点实验室,西安,710049;西安交通大学能源与动力工程学院,动力工程多相流国家重点实验室,西安,710049;西安交通大学能源与动力工程学院,动力工程多相流国家重点实验室,西安,710049;西安交通大学能源与动力工程学院,动力工程多相流国家重点实验室,西安,710049【正文语种】中文【中图分类】O357【相关文献】1.纳米尺度并列双圆柱绕流的分子动力学模拟研究 [J], 李印实;何雅玲;孙杰;陶文铨2.椭圆柱绕流尾迹的PIV测量及DMD分析 [J], 王智慧; 翟红岩; 李庆领; 张文涛; 李忠敏3.合成双射流控制水下圆柱绕流流动分离数值模拟研究 [J], 李潮隆; 夏智勋; 罗振兵; 邓雄; 杨升科; 王林4.介质阻挡放电等离子体对圆柱绕流尾迹区流场影响实验研究 [J], 李钢;李轶明;聂超群;李汉明;张翼;徐月亭;朱俊强5.纳米尺度圆柱绕流现象的分子动力学模拟研究 [J], 李印实;何雅玲;孙杰;陶文铨因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
CFD技术发展及其在航空领域中的应用进展罗磊;高振勋;蒋崇文【摘要】综述了计算流体力学(CFD)技术的近期发展情况,及其在航空领域的应用现状.在CFD技术发展方面,从计算格式、网格方法、湍流模拟3个方面进行了综述,并对未来CFD技术的发展方向进行了展望.在CFD技术的应用方面,重点介绍了飞行器外形优化、旋翼/直升机、非定常绕流、多体分离和进气道等重点应用领域的现状.【期刊名称】《航空制造技术》【年(卷),期】2016(000)020【总页数】5页(P77-81)【关键词】计算流体力学;空气动力学;航空;飞行器【作者】罗磊;高振勋;蒋崇文【作者单位】北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京100191;北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京100191;北京航空航天大学航空科学与工程学院,北京100191【正文语种】中文计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)自20世纪60年代随计算机技术的不断进步而迅速发展,如今已深入到包括航空、航天、船舶、水利、冶金、建筑、化工等工程领域的各个方面,取得了巨大的成就。
航空领域是最早应用和发展CFD技术的领域,在半个多世纪的时间里,航空工程界形成了一套行之有效的CFD技术应用方式,充分合理地利用CFD技术优势,有效缩短了技术研发与型号研制的周期。
在当今航空领域迅猛发展的形式下,CFD技术展现出巨大的应用价值和发展潜力。
本文旨在综述CFD技术近期的发展情况,并展望未来CFD技术的发展方向,以及介绍CFD技术在航空领域应用的现状。
1 CFD技术发展随着CFD技术发展的深入,CFD面临着越来越多的困难。
本文从计算格式、网格方法、湍流模拟等方面介绍CFD技术的最新发展情况。
在CFD领域中,低阶格式由于其鲁棒性和可靠性,被广泛用于工程实际的计算中。
尽管低阶格式已在复杂外形的复杂流动数值模拟中取得了巨大成功, 但低阶格式具有较大的数值耗散与色散。
多段翼型流动非定常性计算研究焦予秦;范娟莉;罗淞【摘要】Numerical simulation of flow unsteadiness of the 30P-30N multi-element airfoils has been done by detached eddy simulation (DES) method based on SA turbulence model. The average of aerodynamic characteristics for unsteady flow has been calculated and compared with experimental data to validate DES method. After that, the numerical results have been carefully analyzed. The analytical results show that the method is accurate for the simulation of the flow unsteadiness of multi-element airfoil. Vorticity has changed in certain extent beneath the lower surface of slat wing while periodic vortex shedding is obvious near the trailing edge of flap. And primary cause of multi-element airfoil's noise radiation has been revealed preliminarily. The results are useful in the research on reducing noise of multi-element airfoil.%用基于SA湍流模型的DES计算方法对30P-30N多段翼型绕流的非定常性进行数值模拟.通过将非定常计算的气动特性平均值和定常实验结果比较验证了计算方法的可靠性,并对基于SA湍流模型的DES方法非定常数值模拟的结果进行分析.结果表明,所述方法正确地模拟了多段翼型流动的非定常性.缝翼下表面具有一定的涡量变化,而襟翼上表面后缘有明显的周期性的涡脱落.初步揭示了多段翼型噪声辐射的根本原因.研究结果对减小多段翼型噪声的方法研究具有一定的意义.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2011(011)013【总页数】5页(P2994-2998)【关键词】多段翼型;非定常;涡脱落;噪声【作者】焦予秦;范娟莉;罗淞【作者单位】西北工业大学翼型、叶栅空气动力学国家级重点实验室,西安,710072;西北工业大学翼型、叶栅空气动力学国家级重点实验室,西安,710072;西北工业大学翼型、叶栅空气动力学国家级重点实验室,西安,710072【正文语种】中文【中图分类】V211.41当前,随着人类环境保护意识的不断增强,对飞机噪声的强制性指标要求越来越高。
NACA4412翼型低速绕流的定常/非定常计算对比研究闫文辉【摘要】Numerical simulation of NACA4412 airfoil around flow is implemented based on steady and unsteady computationalmethods .Convection terms and diffusion terms are calculated using Roe scheme and center difference scheme respectively .The dual-time stepping method with implicit approximate-factorization employed in time marc-hing.Two equation SST k-ωturbulence model is forfeited forsteady/unsteady computations .Computational results of steady/unsteady numerical simulations are compared with experimental data .Periodic vortex shedding behind airfoil tail is obtained using unsteady numerical simulation .Time-averaged computational results obtained by un-steady method are batter then steady computational results .%对NACA4412翼型低速绕流进行了定常/非定常数值计算。
对流项及扩散项的空间离散分别采用Roe格式和二阶中心格式,时间方向采用了二阶精度的双时间步隐式方法求解,湍流模式采用了两方程SST k-ω模式。
收稿日期:2018-12-12。
基金项目:国家自然科学基金项目(51876063,51576065);中央高校基本科研业务费专项基金项目(2018ZD09,2018QN033)。
作者简介:叶昭良(1990-),男,博士研究生,主要从事风力机叶片空气动力学方面的研究。
通讯作者:王晓东(1979-),男,副教授,主要从事风力机空气动力学方面的研究。
E-mail :wangxd@偏航过程中风轮非定常尾流特性研究叶昭良1,王晓东1,尹佐明2,康顺1(1.华北电力大学电站设备状态监测与控制教育部重点实验室,北京102206;2.湖北龙源新能源有限公司,湖北武汉430077)摘要:针对偏航过程中风轮的动态尾流特性,运用计算流体力学(CFD )的基本方法对NREL PhaseVI 风力机进行了30°偏航角范围动态偏航过程的模拟。
通过与多个偏航角下的实验和动量叶素理论(BEM )、自由涡尾迹模拟结果对比,对比结果表明:随着偏航角的增加,风轮整体载荷减小;在风轮偏转过程中,旋转方向上附加的速度分量增大,导致风轮偏航过程中气动力系数比给定偏航角下的波动有所增加;动态偏航的速度尾迹偏斜出现延迟,宽度增加。
关键词:水平轴风力机;动态偏航;非定常;尾流特性;数值模拟中图分类号:TK89文献标志码:A文章编号:1671-5292(2019)03-0445-06可再生能源Renewable Energy Resources第37卷第3期2019年3月Vol.37No.3Mar.20190引言偏航作为风力机控制过程的常用方法,通过改变风力机运行方向,进而改变风轮的受风面,提高机组的风能利用效率。
偏航过程中,同时存在风轮的旋转运动,叶片绕流表现为复杂的三维非定常流动,同时伴随着漩涡脱落以及非定常尾迹等,使攻角发生周期性的波动,最终导致风轮整体气动特性发生改变,影响风力机运行稳定性。
因此,研究风轮偏航过程的尾流特性及流动过程,对认识风轮气动载荷的变化规律、优化风力机控制和排布策略、提高机组设计水平具有重要的意义。
收稿日期:2004-06-20 作者简介:綦 蕾(1981-),女,湖南株洲人,博士生,qileil @ .汽轮机末级三维非定常流动数值模拟綦 蕾 郑 宁 程洪贵(北京航空航天大学能源与动力工程学院,北京100083) 摘 要:空冷汽轮机组采用空气作为冷却介质,是一种典型的变工况运行机组.深入了解透平叶片在设计状态和高背压条件下的非定常流动机理,能更好设计空冷汽轮机以及提高叶轮机械的性能和稳定性.主要利用三维粘性非定常数值模拟的方法对设计状态和高背压条件下透平叶片内部的流动进行模拟,并分析了设计状态和高背压条件下非定常流动机理.结果表明,在设计状态动静干涉作用是导致非定常现象产生的主要原因;在高背压条件下动静干涉作用很弱,导致非定常现象不明显.关 键 词:透平;非定常流动;动静干涉中图分类号:V 221文献标识码:A 文章编号:1001-5965(2005)02-0206-06Numerical simulation of the 3-D unsteady flo w in the last stage ofthe steam turbineQi Lei Zheng Ning Cheng Honggui(S c hool of Jet Propulsion ,Beijing University of Aeronautics and Astronautics ,Beijing 100083,China )Abstract :Air cooling steam tur bine uses air as working fluid ,and it works in variable -operating condition .It is important for the design of air cooling steam tur bine and the performance and stability of tur bine to study unsteady flow mechanism in design and off -design state .The flow of turbine in design and off -design state was simulated bythe method of numerical simulation of 3-D viscous flow ,and the flow mechanism in design and off -design state was studed .The results sho w r otor -stator interaction causes unsteady flow in design state ,and the rotor -stator interaction in off -design state is weak ,the unsteady phenomena is not obvious in off -design state .Key words :turbine ;unsteady flow ;rotor -stator interaction 空冷汽轮机组与湿冷汽轮机组相比,具有明显的节约水资源的优势,其不利因素在于空冷汽轮机组低压缸末级的出口背压较高,且随着工作环境的变化,出口背压变化范围较大,末级叶片应力会大幅度变化.当背压高于设计状态接近鼓风状态时,汽轮机组在小容积流量下工作,末级动叶进口的流动存在大负攻角,动叶顶部的负攻角更为明显.大负攻角来流在动叶压力面造成大尺度分离流动,而大尺度分离流动和叶片自身的微幅振动,可能导致叶片气动弹性失稳,甚至发生颤振,造成末级叶片损坏.深入了解透平叶片在高背压条件下的非定常流动机理,并有效地在设计中控制叶片排内流动,减小叶片应力,提高工作效率,对于空冷汽轮机极为重要,对提高叶轮机械的性能和稳定性也具有重要意义.叶轮机械内部的流动本质上是三维非定常复杂流动.在一定的负荷水平下,叶轮机械的效率和稳定工作范围等是衡量其性能好坏的重要指标.效率的高低取决于气流流过叶片通道时损失的大小.非定常作用将直接影响到损失的产生、输运和扩散,并在叶片上产生非定常负荷.叶轮机内非定常流动通常包括2层含义,分别对应2类不同的2005年2月第31卷第2期北京航空航天大学学报Journal of Beijing University of Aeronautics and AstronauticsFebruary 2005Vol .31 No .2DOI :10.13700/j .bh .1001-5965.2005.02.022流动现象[1]:一类是所谓流动失稳现象,即设计时希望避开的不稳定工作状态如旋转失速,喘振,颤振以及流场畸变等;另一类则为广义的流动非定常性,反映流场的动态特征.绝大多数非定常流动是由于各叶片排的周向非均匀流动以及转子静子之间的相对运动所引起.其中第二类非定常流动又分为以下几个方面[2]:①位势作用,即由于转子和静子压力场的相对运动所引起的非定常性,表现为无粘作用,它的影响可以向上、下游相邻叶片排传递,一般在一个栅距(或弦长)之内衰减,在其作用范围之内(轴向间距较小时)引起的非定常效应很明显,它会引起叶片排上、下游周向流场非均匀分布;②尾迹和叶片排之间的相互作用,即转子(静子)叶片的尾迹通过下游静子(转子)时,所产生的非定常压力,表面热交换以及与边界层之间的相互作用,它是非定常流动现象的重要来源之一,它的作用距离比位势流大,可以作用到下游几个弦长距离;③叶轮机级中由于二次流、激波、边界层的变形等引起的三维非定常效应,以及多级环境中存在的Clocking现象;另外,由于不稳定的分离,尾迹涡的脱落,进口畸变,转捩等也是引起非定常流动的因素,它们的存在形成了宽频谱的非定常特性.1 数值方法1.1 计算方法本文数值计算采用NUMECA商用软件,控制方程为非定常雷诺平均N-S方程,空间采用中心差分格式,时间采用二阶迎风格式.同时在非定常计算中采用了隐式双重时间步法.湍流模型采用S-A模型.为加速收敛,计算采用全多重网格方法.1.2 计算网格设置设计状态和非设计状态高背压下(非设计状态)的非定常计算均采用同一计算网格,如图1.网格采用HOH型网格.一个周期通道的网格总数约75万,其中静叶进口段的H型网格数17×33×13,环绕静叶叶片的O型网格数21×33×113;动叶进口段的H型网格数25×33×17,环绕动叶叶片的O型网格数19×33×121,动叶出口段的H型网格数为17×33×29.网格近壁区y+值的大小静叶约为20,动叶约为10.1.3 计算参数设定非定常计算采用Domain Scaling方法,它要求上下游叶片的计算域周向尺寸相等,为此,将静叶和动叶数简化为3:5,同时为了保证叶片堵塞度一致,对静子和转子叶片尺寸均按一定比例进行缩放.计算时一个周期内设定60个物理时间步.动静叶交界面采用超限插值.边界条件进口给定总温、总压和气流角的均匀分布,出口按径向平衡原理给定50%动叶叶高处静压值.初始条件是用定常计算收敛结果作为初场.图1 计算网格2 数值模拟结果及分析2.1 设计状态图2和图3分别为160T~2160T时刻的叶中S1流面熵增云图和静压云图(颜色由深至浅数值大小递增,下同),图中标明了叶片的编号.由图看出,随时间的发展,对于同一编号的动叶,相对静叶的周向位置不断改变,同时熵增和静压分布都相应发生变化,流动随时间呈周期性变化.整个周期的流动过程比较直观地体现了设计点流动的非定常效应.这主要是由叶轮机内流动中常见的动静干涉作用引起的非定常效应.这一非定常效应是由于转子叶片相对静子叶片周向位置发生了改变产生的转子与静子之间的位势作用,以及上游静子叶片尾迹与下游转子叶片的相互作用造成的.2.1.1 静子尾迹对转子的非定常作用从图2看出,静叶尾迹(高熵区域)扫过下游区域,并一直延伸到转子通道内,随着动叶相对于静叶的周向位置改变,下游转子通道中的熵分布也随之变化.从静叶尾迹发展的方向来看,由于静叶和动叶之间的间距较远,静叶尾迹进入动叶通道后,分布已经不很集中,扩散到很大范围,这一熵增区域一直延续到下游转子出口.2.1.2 静子对转子的激波和位势场作用非定常流场中各时刻转子周围的压力场主要受到激波和位势场作用影响.观察图2和图3发现(例如在160T时刻2号转子进口前的区域),在熵分布图中,静叶尾迹扫过下游区域时,在转子207第2期 綦 蕾等:汽轮机末级三维非定常流动数值模拟 图2 设计状态不同时刻叶中S1流面熵增分布图3 设计状态不同时刻叶中S1流面压力系数分布前有一个区域尾迹的发展出现间断,同时在这个区域静压云图显示为明显的高压区,这说明上游静子的位势场对下游转子的非定常作用比较强烈,对流动的影响比尾迹作用要强.此外从图4设计状态动叶叶中压力系数分布对应图3可以发现,转子1的吸、压力面在受静叶位势场作用比较强烈的位置压力梯度相应增加.从图中不同时刻静叶叶中表面压力系数分布图中可以看到,静子叶片后部吸、压力面之间的压力差明显比叶片前部大,静叶是明显的后加载叶型.因为静子叶片后部负荷较大,所以它的位势场对下游转子的非定常作用比较强烈.另外,从图5非定常计算结果160T时刻的叶片根、中、尖相对马赫数分布图可看出,由于汽208北京航空航天大学学报 2005年 a 设计状态静叶叶中b 设计状态动叶叶中图4 设计状态叶中表面压力系数分布流在静子通道内加速程度较大,到静叶出口处已达到超音,同时在静叶尾缘出口处产生了燕尾型的斜激波.燕尾波朝向下游叶栅的分支外尾波作用在下游转子叶片前缘也能产生强烈的非定常气动力.本算例中静叶尾缘出口激波以及静叶位势场是产生转子通道内非定常现象最主要的因素.2.1.3 转子对静子的非定常位势作用从图4的静叶叶中表面压力系数分布看出,只在静叶吸力面尾缘处能够看到较微弱的非定常压力波动,这说明动叶对静叶的位势作用不明显.如图4b 所示,动叶叶片前部的负荷相对较小,转子通道的前部区域周向压力梯度较小,使得转子叶片对上游静子产生的位势作用较小.对非定常流场的分析初步认定,在设计状态非定常流动中,动静干涉的非定常效应较强,其中静叶对动叶的势干扰起主导作用.这是由于设计状态静叶后部的负荷较大,且出口汽流超音造成的.2.2 非设计状态流动分析非设计状态计算结果与设计状态的结果差别较大,计算结果总效率已由设计状态的约0.9降低到接近于零.主要是由于出口背压明显增高,汽a 叶根(10%叶高)b 叶中(50%叶高)c 叶尖(90%叶高)图5 设计状态1 60T 时刻S1流面相对马赫数分布流通过末级通道时膨胀比急剧减小,流动接近鼓风工况,汽流几乎不对叶片做功.另外高背压导致末级动叶进口产生大负攻角,使得动叶靠近压力面处出现大的分离区,给流动带来很大损失.在透平机械内部,转子相对静子叶片的旋转使得转静子叶片之间的相互干涉作用成为导致非定常效应的重要因素.转子叶片中的各个时刻压力场结构受动静干涉中2个非定常作用的影响:一是位势作用,即转、静子之间的压力波的相互作用,二是静叶尾迹作用.转、静子之间的位势作用以及上游静子的尾迹对下游转子通道内流动的影响是引起叶栅通道内部流动非定常效应的一个主要驱动源.以下从动静干涉这几个方面着重分析有大分离情况下的非定常流动.209第2期 綦 蕾等:汽轮机末级三维非定常流动数值模拟2.2.1 转子通道内的旋涡流动当背压升高,末级的落压比减小,轴流速度减小时,动叶处于大负攻角工作状态,汽流在动叶的压力面发生强烈分离.从图6a ~图6c 的流线分布可以看出,在动叶通道中,靠近动叶压力面处有一个顺时针旋转的大分离涡.从动叶通道三维流线可以看出,这个分离涡是一个三维的涡系结构,几乎占据了整个叶高通道.从图6b 和图6c 可以看出,动叶压力面在大负攻角下形成的大的分离涡是在叶片前缘处形成的,分离涡中的汽流沿顺时针方向旋转并向叶尖迁移,并与叶尖处壁面附近的流体掺混后沿主流方向流出.从图7b 动叶叶中表面压力系数分布可以看出,转子通道内的大分离涡已经严重改变了动叶表面的压力分布形式,在压力面受分离涡影响的区域,压力值急剧减小,甚至小于吸力面的压力值,这导致了动叶做功能力减小甚至不做功.a 动叶通道三维流线b动叶压力面流线c 叶中S1流面流线图6 非设计状态流线从计算结果的S1流面流场动画来看,随着动、静叶之间相对位置发生变化,流场的参数分布几乎不变;在S1流面分离区内也没有明显的非定常现象.从图7不同时刻动静叶叶中表面压力系数分布也能明显看到,1 60T ~21 60T 各时刻的压力几乎没有任何波动.在动叶通道中有如此大的分离涡,但在非定常流场中却看不出涡有任何的波动,几乎是原地不动.由于计算中使用的网格数有限,难以捕捉到分离涡的非定常运动.在鼓风状态下,末级的流动分离会向上游发展,波及次末级的流动,末级静子入口来流受上游流动的影响,在径向和周向也会有一定的畸变,而且非定常流动会在多个通道中波动,流动的周期性差.这些对于流动的非定常性都会有一定的影响,其影响的量级还不能准确估计.由于计算区域只包括末级单级的3个静叶通道和下游的5个动叶通道,不是多级整圈的全部叶片通道,可能非定常流动的波动受到限制,没有捕捉到分离涡的非定常现象.a 非设计状态静叶叶中b 非设计状态动叶叶中图7 非设计状态叶中表面压力系数分布2.2.2 静子对转子的势干扰图7a 显示,与设计状态的流动相比,静叶的负荷分布已经发生了明显变化,叶片压力面和吸力面之间的压力差变小,静叶负荷减小,且静叶尾缘处的负荷减小得更加明显,直接导致静叶尾缘处和静叶出口处的压力分布的周向梯度减小,如图8所示.图8显示静叶的出口压力在周向的梯度很小,从压力面到吸力面的周向压力系数的落差最大约为0.1,而图8中在设计状态这个值高210北京航空航天大学学报 2005年达3.另外,由于汽流在静子通道内减压加速程度大大降低,静叶出口汽流为亚音,静叶尾缘出口没有燕尾波产生,因此对下游转子叶片的非定常作用进一步减弱.一般认为,叶轮机械内的动静干涉现象是由于动、静叶相对运动导致的相邻叶片排周向非均匀流场的相互作用引起的.静叶出口的周向压力梯度很小,则动叶旋转掠过静叶出口的周向不均匀压力场所受到的非定常力相应比较弱.据此分析可以理解,为什么在设计状态观察到的由于动静之间相互位置转动引起的较强的静叶对动叶的压力干扰在大负攻角状态变得很小,事实上是由于大负攻角状态下静子叶片的负荷减小造成的.b 非设计状态图8设计状态和非设计状态叶中静叶出口静压沿周向分布a 设计状态 综合以上几方面的因素,可以判断在给定的计算条件下,计算结果所得到的流场是基本合理的.透平叶片在高出口背压下,动叶进口存在大的负攻角,在动叶靠近压力面处造成大尺度分离流动.通过对流动的分析认为,在鼓风状态下,由于静叶载荷较小,动静干涉较弱,在设计状态中表现明显的动静之间相互的压力干涉变得较弱.3 结 论1)通过对低压缸末级的全三维非定常数值模拟,分析了动静干涉对非定常效应的影响,在设计点上,静叶对动叶的势干扰强于动叶对静叶的势干扰动.动、静干涉作用直接导致叶片表面负荷分布的变化,对透平的应力和效率有不可忽视的影响.2)透平叶片排在高出口背压条件下,动叶进口存在大的负攻角,在叶型内部造成大尺度分离流动,这种分离流动几乎占据了整个转子通道,且具有强三维特性,对透平叶片排的负荷分布和级效率都有很大影响,必须加以控制.3)通过对分离流动非定常数值模拟结果的分析认为,由于在高背压条件下载荷减小,静叶出口的周向压力梯度很小,因此动叶旋转掠过静叶出口的周向不均匀压力场所产生的非定常动静干涉作用较弱.受计算条件的限制,分离涡比较稳定,没有体现出流动的非定常效应.4)非设计状态下特殊的非定常现象,给出一种启发,如果能进一步深入理解这种状态下非定常流动产生的条件和机理,对通道中大分离涡的形成和发展加以控制,这对于提高整个叶轮机械的效率,加强流动稳定性都将产生很深远的影响.参考文献(References )[1]徐力平.叶轮机内非定常流动和叶轮机气动力学的实验手段[A ].气动热力学发展战略研讨会专题报告汇编[C ].北京,1989Xu Liping .The experi ment met hod of uns teady flow and aerodynam -ics in turbine [A ].The Special Report Compile of Aerothermodyna -mics Development Strategy Proseminar [C ].Beijing ,1989(in Chi -nese )[2]Eulitz F ,Engel K ,Gebing H .Numerical invers tigation of the clock -ing effects in a multis tage turbine [R ].ASME 96-GT -26,1996[3]Hodson H P ,Dawes W N .On t he interpretation of meas ured profileloss er in uns teady wake -turbine blade interaction studies [R ].ASME 96-GT -494,1996211第2期 綦 蕾等:汽轮机末级三维非定常流动数值模拟 。
空气动力学中的流场计算方法和技术研究随着人类科技水平的不断提高,空气动力学的研究得到了越来越多的关注。
空气动力学是研究空气对物体运动的影响以及空气流动规律的学科,其研究范围广泛,包括航空航天、汽车工业、建筑设计等领域。
在空气动力学研究中,流场计算方法和技术是至关重要的一环,它们可以帮助研究人员更加准确地了解流场特性,为科研和工程应用提供指导和支持。
一、常见的流场计算方法1.有限元法有限元法是利用微分方程的连续性和边界条件,把流体领域分割为有限数目的小元件,在每个小元件的内部建立数量有限的求解方程,从而使微分方程的解得以完成的一种计算方法。
该方法可以处理各种材料和复杂的几何形状,并且在实际应用中取得了很好的效果。
2.网格法网格法又叫有限体积法,是一种应用于流体力学的数值计算方法,它可以将连续介质的空间离散为各个离散的小体积,在每个小体积内求解流体的运动参数,从而得到整个流场的运动情况。
3.质点追踪法质点追踪法是一种通过跟踪大量质点在流场内的运动轨迹来计算流场参数的方法。
此方法适用于非定常的流动计算,如尾迹流场、湍流中的微观涡流等。
二、流场计算技术的研究方向1.大规模并行计算应用现代计算机的高速和低成本,使得流场计算越来越趋向于采用大规模并行计算的方法。
近年来,高性能计算机的不断发展,为流场模拟和计算提供了更加强大的计算能力和更加多样化的计算方式,这为相关领域的研究和发展提供了广阔的空间。
2.高精度算法和模型流场计算中所采用的数值算法和数学模型对计算结果的准确性和可靠性直接影响很大。
高精度算法和模型不仅能提高流场计算结果的准确性,而且也可以测量复杂的流动现象和流场性质,以及研究流场的物理机制和数学模型,这为科学研究和工程应用提供便利和支持。
三、空气动力学应用的案例1.风力发电机组设计风力发电可以说是绝对依赖大的空气动力学原理,建立良好的风力发电机组设计方案是非常重要的。
要想在设计过程中了解流场特性和流场参数,则需要采用相应的流场计算技术来计算流场的动态变化,并针对不同的设计方案进行计算比较,最终得出最好的风力发电方案。
Unsteady Characteristics and Spatial-temporal Evolution of Inlet Total Pressure Distortion in a Centrifugal Compressor *Ming-yi WangZhi-heng Wang *Yao-zu WuYi-wen ZhangGuang Xi(Xi'an Jiaotong University )Abstract:In this paper,the unsteady characteristics and spatiotemporal evolution process of the inlet total pressure distortion propagating in centrifugal compressors are studied by means of the unsteady three-dimensional CFD numerical simulation method.The results show that the process of the main blade passing through the distortion region in one flow cycle is "low-speed fluid mass attachment,extension and detachment",and the splitter blade is "attachment,expansion and dissipation".The non-uniform impact caused by the distortion zone causes the blade to bear a large periodic alternating stress,which makes the inhomogeneity flow field of the main blade leading edge more sensitive which caused by the distortion of the inlet total pressure;the influence of total pressure distortion on the area of below the middle blade height of the centrifugal impeller is small,but when it is close to the blade tip area,the static pressure distribution of the blade pressure surface is affected causing unsteady pressure fluctuations;by solving the time-averaged streamline in the absolute coordinate system,it is found that the distortion mainly affects the blade span position.For the streamlines in a large area,the streamlines near the blade tip area have a greater degree of deflection,and the streamlines near the root area are the most uniform.Keywords:Total Pressure Distortion;Centrifugal Compressor;Unsteady摘要:本文通过全周非定常三维CFD 数值模拟方法研究了进口总压畸变在离心压气机中传播的非定常特性与时空演化过程。
㊀第41卷第1期2020年2月㊀青岛科技大学学报(自然科学版)J o u r n a l o fQ i n g d a oU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y (N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n )V o l .41N o .1F e b .2020㊀㊀㊀文章编号:1672G6987(2020)01G0091G06;D O I :10.16351/j.1672G6987.2020.01.014椭圆柱绕流尾迹的P I V 测量及D M D 分析王智慧,翟红岩,李庆领∗,张文涛,李忠敏(青岛科技大学机电工程学院,山东青岛266061)摘㊀要:为了研究椭圆柱绕流尾迹的流动特性,利用粒子图像测速技术(P I V )对长短轴之比A R =0 42的椭圆柱在雷诺数R e =3493,4657,5822三种流动工况进行了实验研究,得到了相应的尾流区瞬态速度矢量场和涡量场,并通过频谱分析得到旋涡脱落频率.结果显示:随着雷诺数的增大,椭圆柱尾流区域在竖直方向上的影响范围减小,近尾流区内旋涡形成区域缩短,旋涡脱落频率增加.同时采用动力学模态分解(D M D )方法对实验获得的速度场进行模态分解,提取了椭圆柱尾迹流场的相干结构及各个模态的频率和增长率信息.结果表明:低阶模态包含了原始流场的主要流场结构,以及与旋涡周期性脱落运动相关的主要模态.随着模态阶数的增加,衰减速度逐渐增大,涡尺度逐渐变小,并向竖直方向进行扩散.关键词:椭圆柱;流动;旋涡脱落;粒子图像测速;动力学模态分解;稳定性中图分类号:O353.5;O357.1㊀㊀㊀㊀文献标志码:A引用格式:王智慧,翟红岩,李庆领,等.椭圆柱绕流尾迹的P I V 测量及D M D 分析[J ].青岛科技大学学报(自然科学版),2020,41(1):91G96.WA N GZ h i h u i ,Z H A IH o n g y a n ,L IQ i n g l i n g ,e t a l .P I V m e a s u r e m e n t s a n dD M Da n a l ys i s o f e l l i p t i c a l c y l i n d e r ᶄsw a k e [J ].J o u r n a lo fQ i n g d a o U n i v e r s i t y o fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y (N a t u r a l S c i e n c eE d i t i o n ),2020,41(1):91G96.收稿日期:2018G11G06基金项目:山东省自然科学基金项目(Z R 2018P E E 017);青岛市应用基础研究计划项目(1F 1G1G17GJ Z H ).作者简介:王智慧(1988 ),男,硕士研究生.㊀∗通信联系人.P I V M e a s u r e m e n t s a n dD M DA n a l y s i s o fE l l i p t i c a l C yl i n d e r ᶄsW a k e W A N GZ h i h u i ,Z H A IH o n g y a n ,L I Q i n g l i n g ,Z H A N G W e n t a o ,L IZ h o n gm i n (C o l l e g e o fE l e c t r o m e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,Q i n g d a oU n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y ,Q i n gd a o 266061,C h i n a )A b s t r a c t :T h ew a kef l o ws t r u c t u r e o f e l l i p t i c a l c y l i n d e r s a tR e y n o l d s n u m b e r s o f 3493,4657a n d 5822i sm e a s u r e d b y p a r t i c l e i m ag e v e l o c i m e t r y (P I V )i n aw a t e r c h a n n e l .T h e a x i s r a t i o o f t h e e l Gl i p t i c c y l i n d e r i s A R =0.42,a n d t h em a j o r a x i s o f t h e e l l i p s e i s a l i gn e d i n t h e s t r e a m Gw i s e d i r e c t i o n .T h e c o r r e s p o n d i n g i n s t a n t a n e o u s v e l o c i t y v e c t o r f i e l d a n d v o r t i c i t y f i e l dw e r e c a p t u r e d ,a n d t h e v o r Gt e x Gs h e d d i n g f r e q u e n c i e sw e r e o b t a i n e d b y s p e c t r u ma n a l ys i s .R e s u l t s i n d i c a t e t h a tw i t h t h e i n c r e a s e o fR e y n o l d s n u m b e r ,t h e i n f l u e n c e a r e a o f t h e e l l i p t i c a l c y l i n d e r sw a k e i n t h e v e r t i c a l d i r e c t i o n d e Gc r e a s e s ,t h e l e n g t h o f v o r t e x f o r m i n g r e g i o n i n t h e n e a r w a k e s h o r t e n s ,a n d t h e v o r t e x Gs h e d d i n gf r e Gq u e n c y i n c r e a s e sg r a d u a l l y .Th e d y n a mi cm o d e d e c o m p o s i t i o n (D M D )i s u s e d t o e x t r a c t t h e c o h e r Ge n t s t r u c t u r e o f t h e f l o w i n t h ew a k e o f t h e e l l i p t i c a l c y l i n d e r ,a sw e l l a s t h e f r e q u e n c y an d g r o w t h r a t e o f e a c hm o d e .I t i s f o u n d t h a t t h e l o w Go r d e rm o d e s c o n t a i n t h em o s t d o m i n a n t f l o ws t r u c t u r e o ft h e o r i g i n a l f l o wa n d i l l u s t r a t e f l o ws t r u c t u r e s a s s o c i a t e dw i t h t h e p e r i o d i c v o r t e x s h e d d i n g.A s t h e n u m b e r o fm o d e s i n c r e a s e s ,t h ed e c a y r a t e i n c r e a s e s ,t h es c a l eo fv o r t i c e s i nt h ew a k eb e c o m e s s m a l l e r ,a n d v o r t i c e s d i f f u s e g r a d u a l l yi n t h e v e r t i c a l d i r e c t i o n .青岛科技大学学报(自然科学版)第41卷K e y w o r d s:e l l i p t i c a l c y l i n d e r;f l o w;v o r t e xs h e d d i n g;P I V;d y n a m i cm o d ed e c o m p o s i t i o n; s t a b i l i t y㊀㊀在工程实践中,钝体绕流现象是一个普遍存在的问题,以圆柱绕流为代表的钝体绕流课题已经成为流体力学研究领域的一个重要分支[1].椭圆柱作为介于圆柱和平板之间的一种更具代表性的钝体,在工程上作为换热设备已经得到广泛应用.椭圆柱绕流尾迹伴随着复杂的流动现象,如旋涡形成㊁脱落以及耗散等,通过分析椭圆柱尾迹的流动特性,有助于分析椭圆柱自身的稳定性㊁耐用性及传热性能等[2G3].部分学者在这方面已经展开了相关的研究.C H O I 等[4]通过实验研究了平板附近的倾斜椭圆柱周围的流动特性,通过改变迎角得到压力峰值位置和旋涡脱落频率的变化.代钦等[5]运用P O D方法分析了雷诺数R e=2800时近自由表面水平椭圆柱尾流流场,获得了流场中占主导地位的相干结构.L E O N T I N I 等[6]运用数值方法对椭圆柱尾流的稳定性进行了分析,重点研究了椭圆柱的轴径比对二维卡门涡街和三维流动的影响.粒子图像测速技术(p a r t i c l e i m a g ev e l o c i m eGt r y,P I V)作为一种瞬态㊁多点㊁无接触式的测速方法,已经广泛应用于各种流体实验中.它是在流动显示的基础上发展出来的一种光学测速技术,能在同一瞬间捕捉大量空间点上的速度分布信息.对于椭圆柱尾迹的研究,P I V既能定性地显示流场,又能定量地测量流场的各种参数.动力学模态分解(d y n a m i cm o d ed e c o m p o s i t i o n, D M D)方法为许多流体力学问题的机理分析提供了新的工具,它是一种从非定常实验测量或数值模拟流场中提取动力学信息的数据驱动算法,能够用于分析复杂非定常流动的主要特征,或建立低阶的流场动力学模型[7].S C HM I D[8]对动力学模态分解的算法原理进行了介绍,并对三个案例(横掠方形腔,柔性膜尾流,双圆柱间的射流)的流场进行了详细分析.T I SGS O T等[9]运用了D M D方法与优化振幅的D M D方法,对雷诺数R e=13000时圆柱绕流尾迹进行了分析.D M D方法已经广泛应用于流场特征的分析处理,然而对于椭圆柱绕流的分析仍然较少.1㊀实验设备及方法1.1㊀实验设备实验用到了低速循环水槽设备和P I V设备[10].水槽主体由有机玻璃制成,包括稳定段㊁收缩段㊁工作段及回流段.水槽工作段的长度为2 5m,截面为0 6mˑ0 5m.椭圆柱材料为不锈钢,长短轴之比A R=0 42,长轴2a=33 1m m,短轴2b=13 8m m,椭圆柱长轴与流向平行.水槽来流速度分别为0 15,0 2,0 25m s-1,湍流度低于0 8%,以长短半轴之和a+b为特征长度D的雷诺数分别为R e=3493,4657,5822.实验中使用的示踪粒子为聚苯乙烯颗粒,平均粒径为10μm.P I V设备由图像采集相机,激光光源,激光器电源,同步器及后处理计算机构成.相机在全分辨率(2048ˑ2048像素)条件下能最高150H z采样图像.P I V系统激光能量设为最大100m J,相机的工作模式为双帧双曝光,拍摄频率为50H z.每种工况流场图像拍摄样本数为3000对,每对图片的时间间隔为1000s.在进行互相关运算获得瞬时速度场时,查询窗口大小设为32ˑ32像素.实验装置示意图如图1所示.图1㊀P I V实验装置图F i g.1㊀D i a g r a mo f P I Ve x p e r i m e n t a l s e t u p 1.2㊀动力学模态分解(D M D)方法假定一组以快照序列表示的实验数据,用矩阵V N1表示:29㊀第1期㊀㊀王智慧等:椭圆柱绕流尾迹的P I V 测量及D M D 分析V N1=v 1,v 2,v 3,,v N {},(1)其中:v i 代表第i 个流场;N 为时间步总数.假定一个线性映射A 可以将流场v i 与下一序列流场v i 联系起来:v i +1=A v i .(2)利用式(2),原数据矩阵可改写成:V N1=v 1,A v 1,A 2v 1, ,A N -1v 1{}.(3)若将最后一个时间步的数据用前几个时间步的数据进行线性组合,则v N =a 1v 1+a 2v 2+ +a N -1v N -1+r .(4)其矩阵形式为v N =V N -11a +r ,(5)其中:a T =a 1,a 2, ,a N {},r 是残差向量.进一步可以得到以下关系式:A V N -11=V N 2=V N -11S +r e T N -1,(6)其中:e N -1是N-1维单位向量;伴随矩阵S 为如下形式:S =0a 110a 2⋮⋮ ⋮1a N -11a N éëêêêêêêêùûúúúúúúú.(7)通常伴随矩阵S 只能提取前两个主要模态,尤其当实验数据存在较多噪点时,因此作以下相似变换得到与S 相关的S.对V N -11进行奇异值分解:V N -11=U ΣW H .(8)将式(6)带入式(8)得到:U H A U =U H V N 2WΣ-1ʉS.(9)求取S特征值和特征向量:S y i =μi y i .(10)则D M D 模态Φi :Φi =U y i .(11)其中:y i 是S 的特征向量,U 是快照序列V N -11的右奇异向量.由上式得到的各阶D M D 模态的振幅代表该模态的能量大小,相应特征值μi 是复数形式,它的实部和虚部分别包含了该模态的增长率和频率信息[11].2㊀实验结果及分析2.1㊀椭圆柱尾流区的瞬态流场图2㊁图3是通过P I V 实验获得的,在雷诺数R e =3493,4657,5822下的瞬态矢量场和涡量场.其中横坐标为流向,纵坐标为展向,运用椭圆柱特征长度D 对坐标进行了无量纲化.图2㊀P I V 实验速度矢量场F i g .2㊀V e l o c i t y v e c t o r f i e l do f P I Ve x pe r i m e n t 图3㊀P I V 实验涡量场F i g .3㊀V o r t i c i t y f i e l do f P I Ve x pe r i m e n t 39青岛科技大学学报(自然科学版)第41卷㊀㊀由矢量场的分布可以看出,流体流经椭圆柱后在后方形成尾流区,尾流区内形成旋涡,尾流区外的水流则恢复到来流状态.对比图2(a )㊁(b )㊁(b )得到以下结论,随着雷诺数的增大,尾流区域在竖直方向上的影响范围减小,R e =3493时,影响范围大致为Y /D 坐标轴(-1,1)的区域,R e =4657时影响范围大致为Y /D 坐标轴(-0 8,0 8)的区域,R e =5822时影响范围大致为Y /D 坐标轴(-0 6,0 6)的区域.由涡量场的分布可以看出,椭圆柱两侧在尾流区域内有明显的旋涡交替脱落,旋涡脱落后向下游扩散,形成交叉涡列.对比图3(a )㊁(b )㊁(c ),随着雷诺数的增大,近尾流区内旋涡形成区域缩短,即旋涡形成的位置与椭圆柱的距离变小,R e =3493时,涡核与Y /D 轴距离X /D ʈ0 65,R e =4657时,涡核与Y /D 轴距离X /D ʈ0 5,R e =5822时,涡核与Y /D 轴距离X /D ʈ0 3.圆柱绕流尾迹在雷诺数为103~104范围内有着类似的特性[12].为了分析尾流区旋涡脱落频率特性,选取200个时间步长的流场数据,在尾流区域内选择一数据采样点(X /D =0 8,Y /D =0 2),对该点的法向速度V 随时间变化的序列进行频谱分析,从而得到功率谱密度(p o w e r s p e c t r a l d e n s i t y,P S D )图,如图4,峰值频率即为旋涡脱落频率[13].可以看出,随雷诺数的增大,旋涡脱落频率也相应增加.R e =3493时,旋涡脱落频率f =2 85H z ,R e =4657时,旋涡脱落频率f =3 92H z ,R e =5822时,旋涡脱落频率f =4 75H z.图4㊀采样点功率谱密度图F i g .4㊀P o w e r s p e c t r a l d e n s i t y2.2㊀动力学模态分解(D M D )结果本研究选取了150个时间步长的原始流场数据进行D M D 分解,Δt 为4个时间步长,即0 08s .以下给出了R e =3493时的D M D 分析结果.图5为D M D 特征值的实部和虚部在单位圆上的分布,其中横轴为实部,纵轴为虚部.如图,所有图5㊀特征值的分布F i g .5㊀D i s t r i b u t i o no f e i ge n v a l u e s 特征值几乎都分布在单位圆上或单位圆内,说明所有的模态均为周期性模态或稳定模态.图6为模态数与损失函数的关系[14],可以看出前3阶模态性能损失只有10 2%左右,可见低阶模态是整个流场的主要载体,前3阶模态已经可以描述原始流场主要结构,高阶模态则包含了小尺度的流动结构.图6㊀模态数与损失函数的关系F i g .6㊀R e l a t i o n s h i p be t w e e n t h en u m b e r o fm o d e s a n d p e rf o r m a n c e l o s s49㊀第1期㊀㊀王智慧等:椭圆柱绕流尾迹的P I V测量及D M D分析㊀㊀根据模态振幅对不同频率的模态进行排序,得到各阶模态.图7是由D M D方法提取的前三阶模态(伪彩图为水平速度分量U的分布,箭头为速度矢量图),其中0阶模态即静态模态,含有的能量最大,近似于时均流场,是原始流场的的基本流动结构.1,2,3阶模态则捕捉了流场中存在的周期性运动[15],如图7(b)㊁(c)㊁(d)所示,沿流向都有交叉涡列生成,且随阶数增加涡尺度逐渐变小,并不断向竖直方向进行扩散.原始流场可以看作在静态模态这个基本流动结构上叠加不同频率的周期性模态.图7㊀D M D提取的各阶模态F i g.7㊀E a c hd y n a m i cm o d e s e x t r a c t e db y D M D㊀㊀对提取的模态特征值μi作以下变换λi=l nμi()/Δt.(12)λi的实部R eλi()表征了模态随时间增长衰减的趋势,即增长率g,λi的虚部I mλi()是模态的频率f,结果如表1所示.其中0阶模态的频率为0,增长率的绝对值很小,说明该模态是几乎无衰减的稳定模态,对于严格的稳定状态,增长率应该为零,此处误差可归结为实验测量误差.1阶模态的频率与频谱分析得到的频率相差很小,误差不到1%,且增长率的绝对值也很小,是几乎无衰减的周期性模态,说明此模态是与原始流场中旋涡脱落的周期性运动相关的主要模态.2,3阶模态的增长率比0阶模态大了将近2个数量级,说明其衰减速度相对较快,在最终时刻对流场的影响较小,是原始流场中的小尺度扰动.表1㊀前三阶模态频率和增长率T a b l e1㊀F r e q u e n c i e s a n d g r o w t h r a t e s o f t h e f i r s t t h r e em o d e s模态数频率/H z增长率00-0.002232512.826-0.002827522.739-0.17537532.922-0.0877253㊀结㊀论本研究通过P I V实验对不同雷诺数下椭圆柱绕流尾迹进行了研究,并运用D M D方法对实验数据进行了分析,可以得到以下结论:1)P I V技术可以准确地观测到椭圆柱绕流尾迹中旋涡生成㊁脱落㊁发展并耗散的演化过程,且在一定雷诺数范围内,随着雷诺数的增大,椭圆柱尾流区域在竖直方向上的影响范围减小,近尾流区内旋涡形成区域缩短,旋涡脱落频率增加.2)D M D方法可以提取出椭圆柱绕流尾迹流场的相干结构,低阶模态包含了原始流场的主要流场结构,以及与旋涡周期性脱落运动相关的主要模态.随着模态阶数的增加,衰减速度逐渐增大,涡尺度逐渐变小,并向竖直方向进行扩散.参㊀考㊀文㊀献[1]P A U L I,P R A K A S H K A,V E N G A D E S A NS.N u m e r i c a l a n a lGy s i s o f l a m i n a r f l u i d f l o wc h a r a c t e r i s t i c s p a s t a ne l l i p t i c c y l i n d e r[J].I n t e r n a t i o n a l J o u r n a lo fN u m e r i c a l M e t h o d s f o r H e a ta n dF l u i dF l o w,2014,24(7):1570G1594.[2]L E O N T I N I J S,L OJ A C O N O D,T H OM P S O N M C.S t a b i l i t y59青岛科技大学学报(自然科学版)第41卷a n a l y s i s o f t h ee l l i p t i cc y l i n d e rw a k e[J].J o u r n a lo fF l u i d M eGc h a n i c s,2015,763:302G321.[3]E LGMA G H L A N Y W M,A L N A K E E B M A,T e a m a h M A,e t a l.E x p e r i m e n t a l a n dn u m e r i c a l s t u d y o f l a m i n a rm i x e dc o n v e cGt i o n f r o m ah o r i z o n t a l i s o t h e r m a le l l i p t i cc y l i n d e r[J].I n t e r n aGt i o n a l J o u r n a l o fT h e r m a l S c i e n c e 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叶轮机械全环非定常大规模并行模拟程序设计张健; 唐静; 邱名; 邓有奇; 龚小权【期刊名称】《《空气动力学学报》》【年(卷),期】2019(037)004【总页数】9页(P546-554)【关键词】叶轮机械; 非定常流动; 数值模拟; 全环模拟; 滑移面; 并行效率【作者】张健; 唐静; 邱名; 邓有奇; 龚小权【作者单位】中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所绵阳 621000【正文语种】中文【中图分类】V211.30 引言叶轮机械内部流动非常复杂,其本质为三维黏性非定常流动。
计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)技术飞速发展,其具备计算耗时短,成本相对较低,并且可以多维度地模拟出叶轮机内部复杂的非定常流动细节的优点,因而越来越多地用于叶轮机械的气动设计和分析当中。
叶轮机内部非定常流动的来源有多种,动静叶片排的相对转动、激波边界层干扰、尾迹传播、二次流等都是造成流动不稳定的原因。
通过数值模拟对上述非定常现象进行研究的关键在于如何建立模拟转静叶片相对运动过程的模型。
目前工业上一般采用混合平面(Mixing Plane)模型[1],该模型将转/静界面上下游相同展向高度处的通量通过周向平均后进行交换,将非定常计算简化为对一个叶片流道的定常计算,虽然大大减小了计算量,然而却无法捕捉到转静子之间相互干扰等非定常现象。
采用叶片约化技术[2],将叶片在周向方向上按照一定比例进行几何缩放,能够使转静叶片数具有较大公约数进而约化为少量几个叶片通道进行非定常计算,但是由于改变了实际的几何尺寸,这种方法会存在较大误差。
He和Ning提出的非线性谐波法(Non-linear Harmonic Method,NLH)[3]可以看作是一种定常/非定常混合方法,其基本假设是流场的主要扰动是由于叶片通过频率(Blade Passing Frequence,BPF)引起的,从而将流场变量分解成为时间平均值和多个不同频率谐波的扰动组成,BPF的整数倍数分别代表了不同谐波。