哈工大暑期學(xué)校講稿2(分離流動)

2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿1

旋轉(zhuǎn)機(jī)械流道內(nèi)二次流動結(jié)構(gòu)及分析方法康順

華北電力大學(xué)（北京）動力工程系2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿2內(nèi)容二次流動的定義流譜拓?fù)鋵W(xué)基礎(chǔ)奇點分布的拓?fù)湟?guī)律三角翼大攻角繞流離心壓縮機(jī)流道內(nèi)二次流動2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿3二次流動定義二次流動偏離主流方向的流動，或主流流動速度與二次流動速度的矢量合，或?qū)嶋H流動速度與主流流動速度的矢量差主流流動的選擇或定義不同的定義將得到不同的二次流動圖譜平面葉柵中葉展截面的流動環(huán)形葉柵勢流、無粘流、貼體網(wǎng)格線2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿4二次流動定義原則：任何一種定義必需正確地揭示流動的實際情況必需與壁面油流顯示圖譜或CFD的極限流線圖譜相一致2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿5平面葉柵中的二次流動2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿6平面葉柵（測量）有/無葉頂間隙橫向流動（無間隙）二次流動注意PV拓?fù)渥兓?005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿73DFLOWANALYSIS

FlowPatternnearLERootsaddlepointandseparationlineonhubspiralpointnear-stallSeparationlineonSSVortexnearSSSaddlePointSSlegReattachmentLineSeparationLinePSlegSaddlePointSpiralPointSeparatedVortexVortexSSlegShockNear-stallPeak-eff.2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿83DFLOWANALYSIS

SecondaryFlowatPeakEfficiency

14572LE3LEsplitter6SSeparationHVAttachmentSeparationBVPBVPBVPBVPIV1BVSSVSVSVBVSTVTVTV1324SSSSSeparationSecondaryflowpatternandmeridionalvelocitycontourincross-sections,andlimitingstreamlineonthebladesurfacesandhubwall2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿9流譜拓?fù)鋵W(xué)基礎(chǔ)極限流線分離與附著（2D、3D）2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿10流譜拓?fù)鋵W(xué)基礎(chǔ)極限流線圖譜中的奇點2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿11奇點分布的拓?fù)湟?guī)律用微分方程相平面理論的奇點特性和拓?fù)鋵W(xué)來定性地分析復(fù)雜的流動顯象，是近年來理論流體力學(xué)研究中常用的手段之一。這種方法對于分析和校核三維分離流譜，研究分離機(jī)理，建立數(shù)值計算的數(shù)學(xué)模型、以及氣動設(shè)計都有一定的實用價值。用拓?fù)涞姆椒▉矶ㄐ缘胤治隽鲃訄D畫，能幫助人們了解和檢查流譜的正確性，因此，近年來在流體力學(xué)領(lǐng)域，它得到了迅速的發(fā)展。Lighthill首先注意到，物體表面上的結(jié)點總數(shù)與鞍點總數(shù)之差為2。Hunt等進(jìn)一步發(fā)展了Lighthill的工作，并將物面奇點和拓?fù)浞治龇椒ㄍ茝V應(yīng)用于三維物體截面的外部流場，建立了相應(yīng)的拓?fù)浞▌t。運(yùn)用這些拓?fù)浞▌t可科學(xué)地繪制出物面摩擦力線和截面流線的分布和走向，并進(jìn)而可推斷出空間流場的形態(tài)。然而，以前的大部分工作只適用于簡單物體的繞流或飛行器等的外部流動，為了把拓?fù)浞治龅姆椒☉?yīng)用于研究葉輪機(jī)械等內(nèi)部流動的流譜分析，本文基于Lighthill和Hunt等人的工作，建立了直列葉柵和環(huán)形葉柵表面摩擦力線關(guān)量場、以及流道內(nèi)各種截面上流線矢量場的奇點數(shù)所服從的拓?fù)湟?guī)律．2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿12簡單回顧根據(jù)微分方程的相平面理論，物面摩擦力線圖可稱為物面摩擦力矢量場的相圖。說兩個相圖拓?fù)涞葍r(或同胚)，即兩個相圖具有相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)且僅當(dāng)把一個相圖作彈性運(yùn)動，即隨意地伸張它，扭曲它、拉它或折它，但不允許撕裂，不允許把不同點粘結(jié)在一起，使其與另一個相圖重臺。相圖的這種運(yùn)動叫做拓?fù)渥儞Q。相圖經(jīng)拓?fù)渥儞Q而保持不變的性質(zhì)其中包括連通性、奇點的數(shù)目和類型等，為該相圖的拓?fù)湫再|(zhì)．2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿13簡單回顧指數(shù)是拓?fù)鋵W(xué)中另一個重要的概念。它表示了當(dāng)在相圖上沿著一閉曲線C約當(dāng)閉曲線)環(huán)繞一周時，閉曲線上的矢量所轉(zhuǎn)的固數(shù)．正常點的指數(shù)為零，鞍點的指數(shù)為－1；結(jié)點(包括焦點和中心結(jié)點)的指數(shù)為1；在一個閉曲面上奇點指數(shù)的和為該曲面的歐拉示性數(shù)．歐拉示性數(shù)也是拓?fù)洳蛔兞?，它可表示為?/p>

X＝2－2gg為復(fù)連通曲面的虧格(Genius)．2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿14簡單回顧對于任一閉曲面，其上摩擦力矢量場的鞍點總數(shù)與結(jié)點總數(shù)之差服從如下的拓?fù)浞▌t其中ΣN和ΣS分別表示結(jié)點總數(shù)和鞍點總數(shù)，g為復(fù)連通曲面的虧格(Genius)。在拓?fù)鋵W(xué)中，虧格表示把一復(fù)連通曲面轉(zhuǎn)化成球面所進(jìn)行的“捌補(bǔ)運(yùn)算”的次數(shù)。對于球面=0；環(huán)形曲面g=l；雙環(huán)形曲面g=2；等等。2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿15簡單回顧由上式可見，對于球體(包括任何與之拓?fù)涞葍r的三維體)表面摩擦力矢量場的奇點數(shù)滿足如下拓?fù)浞▌t

ΣN－ΣS＝2也可用此方法研究三維物體截面之外的截面流線矢量場的拓?fù)浞▌t。把位于截面邊界上的奇點稱之為半奇點(半鞍點或半結(jié)點)，以區(qū)別于流場中的奇點。若定義ΣN’，ΣS‘分別為截面上的半結(jié)點和半鞍點總數(shù)，則在三維流動截面上，奇點總數(shù)的拓?fù)浞▌t為其中n為截面的連通數(shù)．2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿16孤立轉(zhuǎn)子的拓?fù)浞▌t假設(shè)轉(zhuǎn)子軸是實心的，葉片與轉(zhuǎn)子軸相連接成一整體顯然這種葉柵拓?fù)涞葍r于一個球體，即經(jīng)過連續(xù)的彈性變形，這個三維轉(zhuǎn)子葉柵的表面可變?yōu)橐粋€球面。若再假設(shè)轉(zhuǎn)子軸向上、下游延伸到足夠遠(yuǎn)處(這與葉柵的遠(yuǎn)上、下游氣流均勻的條件一致)，即在轉(zhuǎn)子軸的兩端截面的中心各存在一個結(jié)點。其中上游為附著結(jié)點，下游為分離結(jié)點。若還假設(shè)葉柵中氣體流動相對于節(jié)距是周期的即在每個節(jié)距內(nèi)，葉柵表面摩擦力矢量場的奇點數(shù)，奇點間的連接方式，以及對應(yīng)奇點的性質(zhì)是一樣的．于是，若命每個節(jié)距內(nèi)的結(jié)點總數(shù)為ΣN·，鞍點總數(shù)為ΣS，則由前式，葉柵表面摩擦力矢場的奇點數(shù)服從如下法則：Z：葉片數(shù)對于不帶圍帶的動葉柵，在每一個節(jié)距范圍內(nèi)，葉柵表面摩擦力矢量場的結(jié)點總數(shù)等于鞍點總數(shù)。ZΣNt一ZΣSI=O2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿17環(huán)形葉柵的拓?fù)浞▌t假設(shè)環(huán)形葉柵葉片與內(nèi)、外環(huán)壁間無間隙。這樣的葉柵表面不再拓?fù)涞葍r于一個球面。把環(huán)形葉柵的內(nèi)、外環(huán)壁向上、下游延伸，其中內(nèi)環(huán)壁可以類似于上面對于轉(zhuǎn)子軸那樣的分析，而外環(huán)壁向上、下游延伸，并彎曲，使其前后相接形成一個環(huán)形曲面。摩擦力線環(huán)繞這個曲面。除了在葉柵流道內(nèi)部表面及葉柵前、后緣的內(nèi)外環(huán)壁外，其余表面無奇點。設(shè)葉片數(shù)為Z，經(jīng)過對Z一1個葉片進(jìn)行“剜補(bǔ)運(yùn)算”，使內(nèi)、外環(huán)壁只由一個葉片相連接。對于這樣的一個組合曲面，其拓?fù)涞葍r于一個環(huán)形曲面，而環(huán)形曲面的虧格為l。于是我們可求得環(huán)形葉柵的虧格為g＝Z得到環(huán)形葉柵表面摩擦力矢量場奇點數(shù)的拓?fù)浞▌t為，

2+ZΣNt-ZΣSt=2-2Z，即ΣNt-ΣSt=-2對于環(huán)彤葉柵，每個節(jié)距內(nèi)的總結(jié)點數(shù)比總鞍點數(shù)少2個2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿18匯總Forskin-frictionlinesonthesurfaces(balde,caing,andhub)ofaannularorlinearcascadeinpitchΣN-ΣS=-2Skin-frictionlinesonthesurfaceofunshroudedrotorinpitchΣN-ΣS=0Streamlinesinacrossflow(orsecondaryflow)field(ΣN+0.5ΣN’)-(ΣS+0.5ΣS’)=1Streamlinesinameridionalsurface(ΣN+0.5ΣN’)-(ΣS+0.5ΣS’)=0Streamlinesinthebladetobladesection(ΣN+0.5ΣN’)-(ΣS+0.5ΣS’)=-1Skin-frictionlinesonthesurfaceofcascadewithtipgapΣN-ΣS=0Streamlinesinacrossflow(orsecondaryflow)fieldofacascadewithtipgap(ΣN+0.5ΣN’)-(ΣS+0.5ΣS’)=02005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿19

2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿202005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿212005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿22三角翼大攻角繞流2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿232004年8月17－20第12屆計算流體力學(xué)會議，西安23多重網(wǎng)格方法等級（Hierarchy）:

通過父－子單元的連接性生成粗網(wǎng)格，網(wǎng)格單元外形仍是六面體（二維時為四邊形），其細(xì)粗網(wǎng)格數(shù)的比接近于1/2，加速率較低2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿242004年8月17－20第12屆計算流體力學(xué)會議，西安24多重網(wǎng)格方法四級Agglomeration方法控制體凝聚（Agglomeration）:

通過“熔融”鄰近的細(xì)網(wǎng)格單元生成一個數(shù)目較少的大尺度不規(guī)則多面體的粗網(wǎng)格，其相鄰兩級網(wǎng)格具有最佳的網(wǎng)格數(shù)目比（1/8），能極大的提高收斂速度。2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿252004年8月17－20第12屆計算流體力學(xué)會議，西安25多重網(wǎng)格方法對比計算機(jī)器配置：

P42.6GHz，2GRAM，Linux系統(tǒng)收斂指標(biāo)：連續(xù)方程殘差-5.0網(wǎng)格單元總數(shù)：約32萬計算時間：

Hierarchy方法：7.45小時

Agglomeration方法：2小時

加速率：3.72005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿262004年8月17－20第12屆計算流體力學(xué)會議，西安26殘差收斂歷史2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿272004年8月17－20第12屆計算流體力學(xué)會議，西安27網(wǎng)格自適應(yīng)方法采用網(wǎng)格自適應(yīng)方法后，壓力梯度較大的區(qū)域網(wǎng)格密度明顯增加，而壓力梯度較小的區(qū)域密度降低α=15°31.8萬/68.8萬α=30°31.8萬/66萬2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿282004年8月17－20第12屆計算流體力學(xué)會議，西安28網(wǎng)格自適應(yīng)方法α=15°軸向截面內(nèi)物面處壓力分布曲線采用網(wǎng)格自適應(yīng)方法能以較小的網(wǎng)格數(shù)目增加帶來流場空間分辨率的明顯提高2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿292004年8月17－20第12屆計算流體力學(xué)會議，西安29前緣分離渦特性

對于尖前緣三角翼，在稍大的攻角下，迎風(fēng)面邊界層流動不能繞過尖前緣，背風(fēng)面的邊界層不能流向前緣，而是在前緣處形成自由渦層型三維分離。該自由渦層隨著主流向后運(yùn)動并不斷卷起，在背風(fēng)面上形成一對穩(wěn)定的螺旋形集中渦，其渦量逐漸加強(qiáng)2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿302004年8月17－20第12屆計算流體力學(xué)會議，西安30前緣分離渦特性α=15°始終維持螺旋狀有序排列α=30°螺旋狀有序排列從中部開始消失2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿312004年8月17－20第12屆計算流體力學(xué)會議，西安31前緣分離渦特性總壓損失系數(shù)極值點為渦核破裂點2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿322004年8月17－20第12屆計算流體力學(xué)會議，西安32前緣分離渦特性旋渦橫向截面流線和靜壓分布云圖

在渦核破裂前后渦核區(qū)域靜壓值總是最低x=0.4Cx=0.6C2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿332004年8月17－20第12屆計算流體力學(xué)會議，西安33前緣分離渦特性α=30°時沿軸向存在明顯的逆壓梯度，該逆壓梯度將導(dǎo)致渦核破裂未采用網(wǎng)格自適應(yīng)方法時，渦核處網(wǎng)格尺寸過大，因此同一位置渦核處模擬所得靜壓要比采用網(wǎng)格自適應(yīng)方法時所得的值明顯偏大2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿342004年8月17－20第12屆計算流體力學(xué)會議，西安34前緣分離渦特性渦軸接近于直線，左右兩側(cè)渦軸位置幾乎完全對稱大攻角下渦軸更遠(yuǎn)離翼面，但攻角對渦軸展向位置影響不大未采用網(wǎng)格自適應(yīng)方法時，攻角15°條件下頭部渦軸出現(xiàn)明顯的扭曲，這可能是由于頭部前緣分離渦尚未充分發(fā)展，網(wǎng)格尺度過大。2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿352004年8月17－20第12屆計算流體力學(xué)會議，西安35截面流線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析旋渦的軸向速度在渦核區(qū)取極值渦核破裂前，該極值為最大值，破裂后則為最小值x=0.4Cx=0.6C2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿362004年8月17－20第12屆計算流體力學(xué)會議，西安36截面流線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析在x>0.45C區(qū)域的兩個的破裂區(qū)，第一個為螺旋破裂，第二個為氣泡破裂在破裂區(qū)軸向速度為負(fù)，發(fā)生回流2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿372004年8月17－20第12屆計算流體力學(xué)會議，西安37不同雷諾數(shù)條件下圓形擴(kuò)壓器內(nèi)旋渦二次破裂的實驗照片a）Re=3400、b）Re=3800S.GortzandA.Rizzi,ComputingtheHigh–AlphaAerodynamicsofDeltaWings-EvaluationandAnalysis[R],AIAA01-0115.2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿382004年8月17－20第12屆計算流體力學(xué)會議，西安38截面流線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析x=0.2C外側(cè)向內(nèi)，內(nèi)側(cè)向外x=0.45C向外x=0.5C向外x=0.6C外側(cè)向外，內(nèi)側(cè)向內(nèi)2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿392004年8月17－20第12屆計算流體力學(xué)會議，西安39截面流線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析軸向速度增大的區(qū)域，流線圖譜存在一個“極限環(huán)”破裂點前極限環(huán)之外的流線指向內(nèi)，環(huán)內(nèi)的流線指向外；破裂點后極限環(huán)外的流線指向外、極限環(huán)內(nèi)的流線指向內(nèi)。軸向速度減小的區(qū)域，流線方向向外，圖譜顯示為不穩(wěn)定節(jié)點2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿402004年8月17－20第12屆計算流體力學(xué)會議，西安40截面流線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析按照微分方程的穩(wěn)定性理論，節(jié)點的穩(wěn)定性取決于其散度值。當(dāng)散度D>0時為不穩(wěn)定節(jié)點（流線指向外）、D＝0時為中心節(jié)點、D<0為穩(wěn)定節(jié)點（流線指向內(nèi)）。如果假設(shè)流動為定常不可壓，則從連續(xù)方程可以得出：散度值與旋渦軸向速度的變化規(guī)律有關(guān)，即：2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿412004年8月17－20第12屆計算流體力學(xué)會議，西安41截面流線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析通過點源和點渦的疊加，近似分析節(jié)點隨渦軸向速度（散度）變化的規(guī)律Vx按正弦規(guī)律變化，渦量為常值隨著Vx沿著正弦曲線減少、增大、最后成為常值，節(jié)點將從穩(wěn)定螺旋節(jié)點退化節(jié)點中心節(jié)點（圖中未出示）不穩(wěn)定螺旋節(jié)點（圖中未出示）退化節(jié)點螺旋節(jié)點中心節(jié)點在流場中，受當(dāng)?shù)厮俣葓鎏荻鹊挠绊?，旋渦的截面流線圖譜可能會顯現(xiàn)為任何一種類型的節(jié)點2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿42離心壓縮機(jī)流道內(nèi)的二次流動SecondaryflowstructureinacompressorcascadewithtipclearancePV:Passagevortex;HV:Horseshoevortex;TLV:Tipleakagevortex;TSV:Tipsecondaryvortex;SV:Secondaryvortex;CSV:Concentratedshedvortex;CV:Cornervortex3DflowstructureinaxialmachineshaswellbeenstudiedAclearpicturehasemerged,withhorseshoevortex,passagevortexandend-wallcornerseparationManyresearchershavecontributedtothispresentstateofknowledge.2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿43離心壓縮機(jī)流道內(nèi)的二次流動3Dflowstructureincentrifugalmachineshasstillmanyopenquestionsleftandthedetailedinformationisstillratherfragmented.Longtwisted3Dpassageswithhighcurvatureandlowaspectratiomakesthedifficultyinobtainingdetailedflowdataintheflowchannels2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿44離心壓縮機(jī)流道內(nèi)的二次流動

Thejet/wakeConceptAsignificantprogressisthejet/wakeconcept,byDeanandhiscoworkersItreferstotheexistenceofalowenergyregionalongthesuctionsideinthedownstreampartoftheimpellerManyothershavecontributedtoitThroughflowvelocityattheexitofEckardt’simpeller,Eckardt(1979)

Vm/UVm/U

Radialdischarge

Backswept30o

HubShroudHubJetWake2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿45離心壓縮機(jī)流道內(nèi)的二次流動Inlet:highvelocityregionalongtheshroud/SSExit:highspeedsalongPSandlowerspeedsintheshroud/SScornerThisisduetosecondaryflowphenomenaPositionofthewakemaychangewithgeometryandflowconditions.

CombinationofpassageandbaldevorticesPVS&PVH:passagevorticesatshroudandhubBVS&BVP:bladesurfacevorticesatSSandPSCV:Coriolispassagevortex

2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿46AnalysisoftheSecondaryFlowinCentrifugalImpeller:

TheBasicForcesonImpellerFlowsTheinviscidbalanceofforces

sisalongthestreamline,nisnormaltothestreamlineinthebladetobladesurfaceandbisthebinormalperpendiculartosandn.

Inthebladetobladesurfacetransversepressuregradientis

mainlygeneratedbyCurvatureterm,ininducerCoriolisforce,inradialpartpointingfromPStoSS2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿47AnalysisoftheSecondaryFlowinCentrifugalImpeller:

TheBasicForcesonImpellerFlowsInthemeridionalsectionIntheinducer,Inradialpart,Thenormalbalanceofforces2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿48AnalysisoftheSecondaryFlowinCentrifugalImpeller:SecondaryFlowComponents

Thestreamwisevortocity,afterJohnson(1978)

Rnistheradiusofcurvatureinthedirectionn,normaltothestreamline

p*rotarystagnationpressurePassageVorticesFlowTurning+CoriolisForceBladetoBladeCurvatureMeridionalCurvaturePassageVorticesBladeSurfaceVorticesCoriolisVortices++2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿49AnalysisoftheSecondaryFlowinCentrifugalImpeller:SecondaryFlowComponentsPVS&PVH:passagevorticesatshroudandhubBVS&BVP:bladesurfacevorticesatSSandPSCV:Coriolispassagevortex2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿50AnalysisoftheSecondaryFlowinCentrifugalImpeller:SecondaryFlowComponentsBalanceofthevortices:

Ratioofthestreamwiseincrementsofthepassagevortices(PVandCV)tothebladesurfacevortex(BV)

Ro=W/wRm:Rossbynumber

2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿51BriefDescriptionoftheLSCC

LowSpeedCentrifugalCompressor(LSCC),builtinNASALewisResearchCenter,(Hathaway,etal.,1993)Dataavailablebacksweptimpeller,vanelessdiffuserexitdiameter:1.524mrotationspeed:1862rpmdesignmassflow:30kg/s

StaticpressureonbladesurfacesInletspanwisedistributionsExitspanwisedistributionsShroudpressuredistributionsVelocitieswithinbladepassage2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿52NumericalCalculationMethod

ComputationalGrid

ThreeBlockH-grid,createdwithIGG/AutogridBlock1:Flowpassage,extendedfrom40%meridionallengthupstreamofimpellerinletto15%impellertipradiusdownstreamBlock2:SpacebehindtheblunttrailingedgeBlock3:Tipgap2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿532005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿54二次流動

近壁面流動邊界層內(nèi)的二次流動往往是由某種力推動的。在離心壓縮機(jī)葉輪流道內(nèi)，靜壓沿著主流方向增加顯而易見，靜壓沿著流向的逆壓梯度不可能是葉片邊界層內(nèi)二次流動的推動力。2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿55近壁面流動因此在研究離心葉輪內(nèi)的二次流動時，常常采用約化靜壓（ReducedPressure）的分布。二次流動的方向近似沿著約化靜壓的梯度方向。約化靜壓Pr定義為：對于可壓縮流動，對于不可壓縮流動可見，在約化靜壓中，扣除了由于系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力對靜壓值的影響。2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿56ValidationandDiscussions

ReducedStaticPressuresonBladeSurfaces(DesignFlow)2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿57ValidationandDiscussions

ReducedStaticPressuresonBladeSurfaces(PartialFlow)2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿58ValidationandDiscussions

ReducedStaticPressuresonBladeSurfaces(HighFlow)ObservationsPressuregradientishigheronSSthanPS;Maximumgradientisininducerpart;Gradientincreaseswithmassflow.

2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿59ValidationandDiscussions

FlowNearBladeSurface(DesignFlow)2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿60ValidationandDiscussions

FlowNearBladeSurface(PartialandHighFlows)ObservationsSecondaryflowisstrongeronSSthanPSinfirsthalfofthechannel;Increasingmassflow,thesecondaryflowbecomesstronger.Secondaryflowalongthebladeincreaseswithstreamwisedistance.PressureSurface2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿61ValidationandDiscussions

ThroughFlowDevelopment

3D流動2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿62ValidationandDiscussions

ThroughFlowDevelopment

FineMeshBasicMeshCoarseMesh2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿63ValidationandDiscussions

ThroughFlowDevelopment

BasicMeshFineMeshCoarseMesh2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿64ValidationandDiscussions

ThroughFlowDevelopment

BasicMesh,k-emodelBasicMesh,Baldwin-Lomaxmodel2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿65ValidationandDiscussions

ThroughFlowDevelopment

PartialflowPartialflowHighflowBasicMesh,k-emodel2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿66ValidationandDiscussions

SecondaryFlowsExpExp2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿67ValidationandDiscussions

SecondaryFlows

BasicMeshExpFineMesh2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿683DFlowStructureinFlowPassage

Redlines:suctionsideBluelines:pressuresideDesignflowcondition2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿69TIPLEAKAGEFLOWSTRUCTURE

IsolinesofStaticPressureonShroudWallDesignFlowNotipgapwithtipgap2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿70TIPLEAKAGEFLOWSTRUCTURE

IsolinesofStaticPressureonShroudWallDesignFlowPartialFlowHighFlow2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿71TIPLEAKAGEFLOWSTRUCTURE

3DStreamlinesRedlinesfromtheleadingedge;Bluelinesfrombetweentheleadingedgeandmidchord;PinklikesfromdownstreamofthemidchordPartialFlowDesignFlowHighFlow2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿72高壓比葉輪Krain等（1996，2002）帶分流葉片和無葉擴(kuò)壓器的高壓比離心壓氣機(jī)（SRV2－O設(shè)計）

。主要幾何尺寸葉片數(shù)：主葉片/分流葉片為13/13、前緣葉根半徑為30mm、前緣頂端半徑為78mm、葉輪頂端半徑為112mm、葉片出口高度為10.2mm、葉片后掠角為52deg，葉頂前緣間隙高度為0.5mm，后緣為0.3mm。

流動條件工質(zhì)為空氣，進(jìn)口為標(biāo)準(zhǔn)大氣。設(shè)計轉(zhuǎn)速為50，000rpm、進(jìn)口葉頂相對馬赫數(shù)為1.3、葉輪出口葉頂線速度為586m/s、設(shè)計流量為2.55kg/s、設(shè)計點壓比為6.1、效率為0.84。2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿73CFDVALIDATION&DISCUSSION

MachNumberatB2BSection90%spansection.differentmeshesat0.3mmgap.Allthecomputationspredictwelltheleadingedgeshock.Measuredshockiscurvedtowardsdownstreamwhenapproachingtothesurface.ThemeasuredMachnumberinfrontoftheshockis1.3,whilethepredictedvaluesoverawiderangeinthepitchwisedirectionarearound1.4.Asexpected,refiningthemeshincreasestheshockresolutionincreasingthetrailingedgegapsizedoesnotaffectobviouslytheflowfieldintheinducer.Designmassflowm/mchoke=0.89MeshIMeshII2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿74CFDVALIDATION&DISCUSSION

MachNumberatCross-SectionsRelativemachnumberatfourcrosssections;Atdesignmassflowm/mchoke=0.89.CFDwithMeshII(1.1Mmesh)IntervaloftheisolinesinbothCFDandexperimentalplotsis0.05.4312LESplitterLE2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿75CFDVALIDATION&DISCUSSION

MachNumberatCross-SectionNo.14312PSSSlocatedatashortdistanceupstreamoftheimpellerinlet.becauseofastrongerleadingedgeshock,aslightaxialshiftofthesectionmaycauseagreatvariationinthepattern.isolinepatterniswellconsistentwiththedataoverawiderange.Valuereducesfromthemax1.5attheupperleftcornerto0.7nearthehub.Theshockextendsinwardstoabout50%putedshockthicknessismuchwiderthantheexperimentalone.2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿76CFDVALIDATION&DISCUSSION

MachNumberatCross-SectionNo.2locatedatashortdistancedownstreamofthesplitterleadingedgecomputedisolinepatternisinverygoodagreementwiththeexperimentoverawiderangeofthepassage.Themaximumvalueinbothsplitterchannelsappearsatthecornerbetweenthesuctionsurfaceandshroud.Intheleftchannel,thepredictedlocationofthemaximumiswellconsistentwiththeexperiment,whileintherightchannel,thepredictedlocationisfatherawayfromthecornerthantheexperiment.Duetothetipleakageflowandpassagesecondaryflow,aregionwithlowenergyfluidexistneartheshroudSSPS43122005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿77CFDVALIDATION&DISCUSSION

MachNumberatCross-SectionNo.3&4LocatedclosetotheexitComputedresultsareinfairagreementswiththeexperimentswithalowvelocityregionlocatedneartheshroudformingtheso-calledwakeinthewake/jetconcept.However,thecomputedMachnumberissmallerthantheexperimentoverawiderangeofthechannelcenterNo.3No.42005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿783DFLOWANALYSISAlthoughthevalidationgivenabovepresentsvisiblediscrepancyfromtheexperimentaldata,maybeassociatedwithnumericalmethodused,andunknownexperrors,theglobalconsistencestillmakesitacceptableandvaluabletoanalysetheCFDdataforunderstandingthe3Dviscoussteadyflowinthehighspeedcentrifugalimpeller.ThefollowingCFDdataareobtainedwiththe1.1Mmeshatthedesigntipgap,0.3mm.

2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿793DFLOWANALYSIS

SupersonicRangeandShockWaverShaperedlines:unitMachnumberlinesandgrayrender:iso-surfaceofunitMachnumbersupersonicregion;shockwaves.Atchoke,supersonicflowrangebecomeslarger,extendinginwardsandforwardsdownstream.Atpeakefficiencycondition,tipvortexstretchesfromtheleftchannel,atthenear-chokecondition,thisvortexstretchesdownstreamthroughtherightchannel.TipLeakageVortexInletMidspanShockPeakefficiencyTipLeakageVortexInletMidspanShockNearChoke2005－07－202008動力工程及工程熱物理全國研究生暑期學(xué)校講稿803DFLOWANALYSIS

FlowPatternnearLERootsaddlepointandseparationlineonhubspiralpointnear-stallSeparationlineonSSVortexnearSSSaddlePointSSlegReattachmentLineSeparationLinePSlegSaddlePointSpiralPointSeparatedVortexVortexSSlegShockNear-stallPeak-eff.2005－07－202008動力工程及工程熱