2005－07－202008動(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)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(dòng)結(jié)構(gòu)及分析方法康順

華北電力大學(xué)（北京）動(dòng)力工程系2005－07－202008動(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)研究生暑期學(xué)校講稿2內(nèi)容二次流動(dòng)的定義流譜拓?fù)鋵W(xué)基礎(chǔ)奇點(diǎn)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(dòng)2005－07－202008動(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)研究生暑期學(xué)校講稿3二次流動(dòng)定義二次流動(dòng)偏離主流方向的流動(dòng)，或主流流動(dòng)速度與二次流動(dòng)速度的矢量合，或?qū)嶋H流動(dòng)速度與主流流動(dòng)速度的矢量差主流流動(dòng)的選擇或定義不同的定義將得到不同的二次流動(dòng)圖譜平面葉柵中葉展截面的流動(dòng)環(huán)形葉柵勢(shì)流、無(wú)粘流、貼體網(wǎng)格線2005－07－202008動(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)研究生暑期學(xué)校講稿4二次流動(dòng)定義原則：任何一種定義必需正確地揭示流動(dòng)的實(shí)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(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)研究生暑期學(xué)校講稿5平面葉柵中的二次流動(dòng)2005－07－202008動(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)研究生暑期學(xué)校講稿6平面葉柵（測(cè)量）有/無(wú)葉頂間隙橫向流動(dòng)（無(wú)間隙）二次流動(dòng)注意PV拓?fù)渥兓?005－07－202008動(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)研究生暑期學(xué)校講稿73DFLOWANALYSIS

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

SecondaryFlowatPeakEfficiency

14572LE3LEsplitter6SSeparationHVAttachmentSeparationBVPBVPBVPBVPIV1BVSSVSVSVBVSTVTVTV1324SSSSSeparationSecondaryflowpatternandmeridionalvelocitycontourincross-sections,andlimitingstreamlineonthebladesurfacesandhubwall2005－07－202008動(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)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(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)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(diǎn)2005－07－202008動(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)研究生暑期學(xué)校講稿11奇點(diǎn)分布的拓?fù)湟?guī)律用微分方程相平面理論的奇點(diǎn)特性和拓?fù)鋵W(xué)來(lái)定性地分析復(fù)雜的流動(dòng)顯象，是近年來(lái)理論流體力學(xué)研究中常用的手段之一。這種方法對(duì)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(jì)算的數(shù)學(xué)模型、以及氣動(dòng)設(shè)計(jì)都有一定的實(shí)用價(jià)值。用拓?fù)涞姆椒▉?lái)定性地分析流動(dòng)圖畫，能幫助人們了解和檢查流譜的正確性，因此，近年來(lái)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(diǎn)總數(shù)與鞍點(diǎn)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(diǎn)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(chǎng)，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(chǎng)的形態(tài)。然而，以前的大部分工作只適用于簡(jiǎn)單物體的繞流或飛行器等的外部流動(dòng)，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(dòng)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(chǎng)、以及流道內(nèi)各種截面上流線矢量場(chǎng)的奇點(diǎn)數(shù)所服從的拓?fù)湟?guī)律．2005－07－202008動(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)研究生暑期學(xué)校講稿12簡(jiǎn)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(chǎng)的相圖。說(shuō)兩個(gè)相圖拓?fù)涞葍r(jià)(或同胚)，即兩個(gè)相圖具有相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)且僅當(dāng)把一個(gè)相圖作彈性運(yùn)動(dòng)，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(diǎn)粘結(jié)在一起，使其與另一個(gè)相圖重臺(tái)。相圖的這種運(yùn)動(dòng)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(diǎn)的數(shù)目和類型等，為該相圖的拓?fù)湫再|(zhì)．2005－07－202008動(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)研究生暑期學(xué)校講稿13簡(jiǎn)單回顧指數(shù)是拓?fù)鋵W(xué)中另一個(gè)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(shí)，閉曲線上的矢量所轉(zhuǎn)的固數(shù)．正常點(diǎn)的指數(shù)為零，鞍點(diǎn)的指數(shù)為－1；結(jié)點(diǎn)(包括焦點(diǎn)和中心結(jié)點(diǎn))的指數(shù)為1；在一個(gè)閉曲面上奇點(diǎn)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(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)研究生暑期學(xué)校講稿14簡(jiǎn)單回顧對(duì)于任一閉曲面，其上摩擦力矢量場(chǎng)的鞍點(diǎn)總數(shù)與結(jié)點(diǎn)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(diǎn)總數(shù)和鞍點(diǎn)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(duì)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(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)研究生暑期學(xué)校講稿15簡(jiǎn)單回顧由上式可見(jiàn)，對(duì)于球體(包括任何與之拓?fù)涞葍r(jià)的三維體)表面摩擦力矢量場(chǎng)的奇點(diǎn)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(chǎng)的拓?fù)浞▌t。把位于截面邊界上的奇點(diǎn)稱之為半奇點(diǎn)(半鞍點(diǎn)或半結(jié)點(diǎn))，以區(qū)別于流場(chǎng)中的奇點(diǎn)。若定義ΣN’，ΣS‘分別為截面上的半結(jié)點(diǎn)和半鞍點(diǎn)總數(shù)，則在三維流動(dòng)截面上，奇點(diǎn)總數(shù)的拓?fù)浞▌t為其中n為截面的連通數(shù)．2005－07－202008動(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)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(shí)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(jià)于一個(gè)球體，即經(jīng)過(guò)連續(xù)的彈性變形，這個(gè)三維轉(zhuǎn)子葉柵的表面可變?yōu)橐粋€(gè)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(gè)結(jié)點(diǎn)。其中上游為附著結(jié)點(diǎn)，下游為分離結(jié)點(diǎn)。若還假設(shè)葉柵中氣體流動(dòng)相對(duì)于節(jié)距是周期的即在每個(gè)節(jié)距內(nèi)，葉柵表面摩擦力矢量場(chǎng)的奇點(diǎn)數(shù)，奇點(diǎn)間的連接方式，以及對(duì)應(yīng)奇點(diǎn)的性質(zhì)是一樣的．于是，若命每個(gè)節(jié)距內(nèi)的結(jié)點(diǎn)總數(shù)為ΣN·，鞍點(diǎn)總數(shù)為ΣS，則由前式，葉柵表面摩擦力矢場(chǎng)的奇點(diǎn)數(shù)服從如下法則：Z：葉片數(shù)對(duì)于不帶圍帶的動(dòng)葉柵，在每一個(gè)節(jié)距范圍內(nèi)，葉柵表面摩擦力矢量場(chǎng)的結(jié)點(diǎn)總數(shù)等于鞍點(diǎn)總數(shù)。ZΣNt一ZΣSI=O2005－07－202008動(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)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(wú)間隙。這樣的葉柵表面不再拓?fù)涞葍r(jià)于一個(gè)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(duì)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(gè)環(huán)形曲面。摩擦力線環(huán)繞這個(gè)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(wú)奇點(diǎn)。設(shè)葉片數(shù)為Z，經(jīng)過(guò)對(duì)Z一1個(gè)葉片進(jìn)行“剜補(bǔ)運(yùn)算”，使內(nèi)、外環(huán)壁只由一個(gè)葉片相連接。對(duì)于這樣的一個(gè)組合曲面，其拓?fù)涞葍r(jià)于一個(gè)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(chǎng)奇點(diǎn)數(shù)的拓?fù)浞▌t為，

2+ZΣNt-ZΣSt=2-2Z，即ΣNt-ΣSt=-2對(duì)于環(huán)彤葉柵，每個(gè)節(jié)距內(nèi)的總結(jié)點(diǎn)數(shù)比總鞍點(diǎn)數(shù)少2個(gè)2005－07－202008動(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)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(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)研究生暑期學(xué)校講稿19

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

通過(guò)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(shí)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(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)研究生暑期學(xué)校講稿242004年8月17－20第12屆計(jì)算流體力學(xué)會(huì)議，西安24多重網(wǎng)格方法四級(jí)Agglomeration方法控制體凝聚（Agglomeration）:

通過(guò)“熔融”鄰近的細(xì)網(wǎng)格單元生成一個(gè)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(jí)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(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)研究生暑期學(xué)校講稿252004年8月17－20第12屆計(jì)算流體力學(xué)會(huì)議，西安25多重網(wǎng)格方法對(duì)比計(jì)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(wàn)計(jì)算時(shí)間：

Hierarchy方法：7.45小時(shí)

Agglomeration方法：2小時(shí)

加速率：3.72005－07－202008動(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)研究生暑期學(xué)校講稿262004年8月17－20第12屆計(jì)算流體力學(xué)會(huì)議，西安26殘差收斂歷史2005－07－202008動(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)研究生暑期學(xué)校講稿272004年8月17－20第12屆計(jì)算流體力學(xué)會(huì)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(wàn)/68.8萬(wàn)α=30°31.8萬(wàn)/66萬(wàn)2005－07－202008動(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)研究生暑期學(xué)校講稿282004年8月17－20第12屆計(jì)算流體力學(xué)會(huì)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(lái)流場(chǎng)空間分辨率的明顯提高2005－07－202008動(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)研究生暑期學(xué)校講稿292004年8月17－20第12屆計(jì)算流體力學(xué)會(huì)議，西安29前緣分離渦特性

對(duì)于尖前緣三角翼，在稍大的攻角下，迎風(fēng)面邊界層流動(dòng)不能繞過(guò)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(dòng)并不斷卷起，在背風(fēng)面上形成一對(duì)穩(wěn)定的螺旋形集中渦，其渦量逐漸加強(qiáng)2005－07－202008動(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)研究生暑期學(xué)校講稿302004年8月17－20第12屆計(jì)算流體力學(xué)會(huì)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(kāi)始消失2005－07－202008動(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)研究生暑期學(xué)校講稿312004年8月17－20第12屆計(jì)算流體力學(xué)會(huì)議，西安31前緣分離渦特性總壓損失系數(shù)極值點(diǎn)為渦核破裂點(diǎn)2005－07－202008動(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)研究生暑期學(xué)校講稿322004年8月17－20第12屆計(jì)算流體力學(xué)會(huì)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(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)研究生暑期學(xué)校講稿332004年8月17－20第12屆計(jì)算流體力學(xué)會(huì)議，西安33前緣分離渦特性α=30°時(shí)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(shí)，渦核處網(wǎng)格尺寸過(guò)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(shí)所得的值明顯偏大2005－07－202008動(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)研究生暑期學(xué)校講稿342004年8月17－20第12屆計(jì)算流體力學(xué)會(huì)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(duì)稱大攻角下渦軸更遠(yuǎn)離翼面，但攻角對(duì)渦軸展向位置影響不大未采用網(wǎng)格自適應(yīng)方法時(shí)，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(guò)大。2005－07－202008動(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)研究生暑期學(xué)校講稿352004年8月17－20第12屆計(jì)算流體力學(xué)會(huì)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(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)研究生暑期學(xué)校講稿362004年8月17－20第12屆計(jì)算流體力學(xué)會(huì)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(gè)的破裂區(qū)，第一個(gè)為螺旋破裂，第二個(gè)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(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)研究生暑期學(xué)校講稿372004年8月17－20第12屆計(jì)算流體力學(xué)會(huì)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(shí)驗(yàn)照片a）Re=3400、b）Re=3800S.GortzandA.Rizzi,ComputingtheHigh–AlphaAerodynamicsofDeltaWings-EvaluationandAnalysis[R],AIAA01-0115.2005－07－202008動(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)研究生暑期學(xué)校講稿382004年8月17－20第12屆計(jì)算流體力學(xué)會(huì)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(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)研究生暑期學(xué)校講稿392004年8月17－20第12屆計(jì)算流體力學(xué)會(huì)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(gè)“極限環(huán)”破裂點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)2005－07－202008動(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)研究生暑期學(xué)校講稿402004年8月17－20第12屆計(jì)算流體力學(xué)會(huì)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(diǎn)的穩(wěn)定性取決于其散度值。當(dāng)散度D>0時(shí)為不穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)（流線指向外）、D＝0時(shí)為中心節(jié)點(diǎn)、D<0為穩(wěn)定節(jié)點(diǎn)（流線指向內(nèi)）。如果假設(shè)流動(dòng)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(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)研究生暑期學(xué)校講稿412004年8月17－20第12屆計(jì)算流體力學(xué)會(huì)議，西安41截面流線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析通過(guò)點(diǎn)源和點(diǎn)渦的疊加，近似分析節(jié)點(diǎn)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(diǎn)將從穩(wěn)定螺旋節(jié)點(diǎn)退化節(jié)點(diǎn)中心節(jié)點(diǎn)（圖中未出示）不穩(wěn)定螺旋節(jié)點(diǎn)（圖中未出示）退化節(jié)點(diǎn)螺旋節(jié)點(diǎn)中心節(jié)點(diǎn)在流場(chǎng)中，受當(dāng)?shù)厮俣葓?chǎng)梯度的影響，旋渦的截面流線圖譜可能會(huì)顯現(xiàn)為任何一種類型的節(jié)點(diǎn)2005－07－202008動(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)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(dòng)SecondaryflowstructureinacompressorcascadewithtipclearancePV:Passagevortex;HV:Horseshoevortex;TLV:Tipleakagevortex;TSV:Tipsecondaryvortex;SV:Secondaryvortex;CSV:Concentratedshedvortex;CV:Cornervortex3DflowstructureinaxialmachineshaswellbeenstudiedAclearpicturehasemerged,withhorseshoevortex,passagevortexandend-wallcornerseparationManyresearchershavecontributedtothispresentstateofknowledge.2005－07－202008動(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)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(dòng)3Dflowstructureincentrifugalmachineshasstillmanyopenquestionsleftandthedetailedinformationisstillratherfragmented.Longtwisted3Dpassageswithhighcurvatureandlowaspectratiomakesthedifficultyinobtainingdetailedflowdataintheflowchannels2005－07－202008動(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)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(dòng)

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

Vm/UVm/U

Radialdischarge

Backswept30o

HubShroudHubJetWake2005－07－202008動(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)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(dòng)Inlet:highvelocityregionalongtheshroud/SSExit:highspeedsalongPSandlowerspeedsintheshroud/SScornerThisisduetosecondaryflowphenomenaPositionofthewakemaychangewithgeometryandflowconditions.

CombinationofpassageandbaldevorticesPVS&PVH:passagevorticesatshroudandhubBVS&BVP:bladesurfacevorticesatSSandPSCV:Coriolispassagevortex

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

TheBasicForcesonImpellerFlowsTheinviscidbalanceofforces

sisalongthestreamline,nisnormaltothestreamlineinthebladetobladesurfaceandbisthebinormalperpendiculartosandn.

Inthebladetobladesurfacetransversepressuregradientis

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

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

Thestreamwisevortocity,afterJohnson(1978)

Rnistheradiusofcurvatureinthedirectionn,normaltothestreamline

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

Ratioofthestreamwiseincrementsofthepassagevortices(PVandCV)tothebladesurfacevortex(BV)

Ro=W/wRm:Rossbynumber

2005－07－202008動(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)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(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)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(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)研究生暑期學(xué)校講稿532005－07－202008動(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)研究生暑期學(xué)校講稿54二次流動(dòng)

近壁面流動(dòng)邊界層內(nèi)的二次流動(dòng)往往是由某種力推動(dòng)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(jiàn)，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(dòng)的推動(dòng)力。2005－07－202008動(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)研究生暑期學(xué)校講稿55近壁面流動(dòng)因此在研究離心葉輪內(nèi)的二次流動(dòng)時(shí)，常常采用約化靜壓（ReducedPressure）的分布。二次流動(dòng)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(duì)于可壓縮流動(dòng)，對(duì)于不可壓縮流動(dòng)可見(jiàn)，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(duì)靜壓值的影響。2005－07－202008動(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)研究生暑期學(xué)校講稿56ValidationandDiscussions

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

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

ReducedStaticPressuresonBladeSurfaces(HighFlow)ObservationsPressuregradientishigheronSSthanPS;Maximumgradientisininducerpart;Gradientincreaseswithmassflow.

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

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

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

ThroughFlowDevelopment

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

ThroughFlowDevelopment

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

ThroughFlowDevelopment

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

ThroughFlowDevelopment

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

ThroughFlowDevelopment

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

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

SecondaryFlows

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

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

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

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

3DStreamlinesRedlinesfromtheleadingedge;Bluelinesfrombetweentheleadingedgeandmidchord;PinklikesfromdownstreamofthemidchordPartialFlowDesignFlowHighFlow2005－07－202008動(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)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(wú)葉擴(kuò)壓器的高壓比離心壓氣機(jī)（SRV2－O設(shè)計(jì)）

。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(dòng)條件工質(zhì)為空氣，進(jìn)口為標(biāo)準(zhǔn)大氣。設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為50，000rpm、進(jìn)口葉頂相對(duì)馬赫數(shù)為1.3、葉輪出口葉頂線速度為586m/s、設(shè)計(jì)流量為2.55kg/s、設(shè)計(jì)點(diǎn)壓比為6.1、效率為0.84。2005－07－202008動(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)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(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)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(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)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(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)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(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)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(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)研究生暑期學(xué)校講稿783DFLOWANALYSISAlthoughthevalidationgivenabovepresentsvisiblediscrepancyfromtheexperimentaldata,maybeassociatedwithnumericalmethodused,andunknownexperrors,theglobalconsistencestillmakesitacceptableandvaluabletoanalysetheCFDdataforunderstandingthe3Dviscoussteadyflowinthehighspeedcentrifugalimpeller.ThefollowingCFDdataareobtainedwiththe1.1Mmeshatthedesigntipgap,0.3mm.

2005－07－202008動(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)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(dòng)力工程及工程熱物理全國(guó)研究生暑期學(xué)校講稿803DFLOWANALYSIS

FlowPatternnearLERootsaddlepointandseparationlineonhubspiralpointnear-stallSeparationlineonSSVortexnearSSSaddlePointSSlegReattachmentLineSeparationLinePSlegSaddlePointSpiralPointSeparatedVortexVortexSSlegShockNear-stallPeak-eff.2005－07－202008動(dòng)力工程及工程熱