论文摘要：周向平均方法在多级轴流风扇/压气机设计与分析中的应用

尽管三维粘性数值模拟方法作为分析工具越来越多地应用于风扇/压气机气动设计，但现阶段基于流线曲率通流方法的准三维设计工具在风扇/压气机的设计过程中仍然具有重要作用。流线曲率通流方法的主要缺点是其计算结果极大地依赖于损失和气动堵塞等经验参数的输入。另一方面，随着风扇向高通流高负荷方向发展，传统的原始叶型吹风实验数据逐渐不再适用于现代高性能风扇的设计。基于以上两方面的考虑，为减少风扇/压气机设计对经验参数的依赖，本文主要对基于周向平均Navier-Stokes方程的通流模型和任意回转面基元流动的数值模拟进行了研究。本文首先详细推导了基于周向平均Navier-Stokes方程的通流模型的控制方程。在对控制方程中附加项进行模化过程中，类比大粒子方法给出了一种新的无粘叶片力模型，该模型可以避免直接显式求解无粘叶片力，采用分布损失模型完成了粘性叶片力的模化。对通流模型的控制方程采用时间推进有限体积方法进行了数值求解。为了验证该通流模型的预测精度，对某高负荷跨音单级风扇ATS-2进行了计算，计算结果与实验和三维数值模拟结果进行了对比，对比结果表明：通流计算的压比特性与实验结果吻合较好，但效率特性在低转速条件下存在较大偏差。将该通流模型应用于某高负荷子午加速风机、某高负荷跨音双级风扇和某高通流高负荷跨音双级风扇的设计，分析结果表明：通流计算的性能特性具有较高的预测精度；由于N-S通流模型考虑了环壁边界层的影响，计算得到的性能特性相比Euler通流结果向左下方移动；两种通流模型计算的子午流场和展向参数分布与三维结果十分相似，N-S通流计算结果在近端壁区比Euler通流具有更高的预测精度；由于N-S通流模型不能反映转子叶尖间隙的强剪切流动，其对转子尖部流场的计算存在较大偏差。其次，本文分析了等厚度叶片和串列静子对高负荷子午加速风机气动性能的影响，结果表明：采用等厚度或叶型叶片对高负荷风机而言，其气动性能差别很小；在相近有效稠度条件下，串列静子比单排静子更能够抑制角区分离流动。此外还分析了掠形、端弯和弯曲叶片设计对高负荷跨音双级风扇气动性能的影响，结果表明：掠形静子叶片抑制了通道内的角区分离，改善了风扇前后两级的级间匹配；前掠转子内的激波位置更加远离叶片前缘，并且激波随反压提高前移的速度与常规转子相比差别较小；转子根部的端弯设计改善了根部的效率，减小了根部的流动堵塞；静子根部的正弯设计明显抑制了通道内的角区分离，提高了风扇的效率和失速裕度；静子根部正弯尖部反弯设计由于明显改善了静子中部的性能，因而风扇具有最高的效率和失速裕度。最后，本文研究了任意回转面基元流动的数值模拟，并将其应用于某风机转子的设计。文中采用多个基本算例验证了控制方程数值求解的精度。对某转子叶栅基元流场的模拟结果表明，流片半径和流片厚度的变化对基元流场具有重要的影响。将任意回转面基元流动计算应用于某风机转子的设计，实现了流线曲率通流计算、叶片造型和S1流面计算的自动迭代，S1计算修正后的风机转子的性能比修正前明显改善。