科研进展

工程热物理所在离心压气机性能通流分析方法研究方面取得进展

发布时间:2022-09-16 作者:杨晨 来源:先进燃气轮机实验室

  现代高负荷离心压气机内部常常达到跨音流动状态,呈现高度复杂和非线性的流动特征,高负荷离心压气机设计与性能分析也被认为是现代工业设计中最具挑战性的工作之一。在离心压气机设计过程中,其内部通道子午流动参数分布对总体特性具有决定性影响,因而开发快速准确的通流分析工具具有重要意义。

  传统的流函数和流线曲率通流模型因计算成本低、物理意义明确等优点,在离心压气机设计分析中得到了广泛应用。但在呈现跨音流动特征的现代离心压气中,传统通流流动方程面临双解问题,求解收敛遭遇困难,从而需要一种能够处理高速流动的通流方法。针对上述需求,基于时间推进方法求解Euler或Navier-Stokes方程的通流方法提供了一种非常合适的选择。相比于流函数法或者流线曲率法,基于时间推进的通流方法具有以下显著优点:(1)质量流量由流场计算本身得出,因而可以预测叶片排的堵塞工况;(2)可以自动捕获特定形式的激波,从而进行跨、超声速流场计算;(3)可以应用CFD领域最新发展成果。因此,可以预见,时间推进通流方法将为先进高负荷离心压气机设计分析提供有力手段。

  先进燃气轮机实验室研究人员基于隐式LU-SGS时间推进格式和二阶Godunov迎风格式,通过嵌入离心压气机经验模型体系发展了能够应用于现代高负荷离心压气机性能预测的通流分析模型。同时,研究人员基于牛顿迭代思路发展了一种鲁棒的进口无反射边界条件施加方法,使得所开发通流求解器能够稳定获得各类型离心压气机通流流场解。基于所开发求解器,采用两型经典离心压气机作为算例进行了通流模拟验证。

  验证结果表明,在计算收敛性方面,所发展基于牛顿迭代的进口边界条件在跨音离心压气机算例中能够稳定且迅速地获得流场收敛解,显著优于黎曼不变量进口边界条件。采用个人PC单核计算时,两型压气机算例单个工况点计算耗时均不长于2分钟。在模拟精度方面,所发展通流求解器能够准确预测两型离心压气机设计点性能,压比相对误差分别小于1.3%和8.3%。同时求解器能够正确合理地预测压气机非设计点工作特性线,尤其是能够较为准确预测高负荷压气机堵塞工况。

  本项研究得到了国家科技重大专项(2017-II-0004-0017)和国家自然科学基金(No. 51922098)的资助,相关研究结果已发表在Applied Sciences期刊。

 

 1 通流分析中损失展向分布规律

2 LSCC离心压气机压比、效率特性预测对比

3 不同进口边界条件施加方式在通流计算中的对比

4 HPCC离心压气机压比、效率特性预测对比

  5 HPCC压气机近设计点相对马赫数子午分布对比:通流(左),三维CFD(右) 


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