叶顶间隙对高速转子流场影响的数值研究本科毕业设计（论文）题 目 叶顶间隙对高速转子流场影响的数值研究 学 院 机械与自动控制学院 专业班级 10过控（1）班 姓 名 辛无忌 学 号 B10300325 指导教师 贾会霞 二O一四年3月30日浙 江 理 工 大 学机械与自动控制学院毕业论文诚信声明我谨在此保证：本人所写的毕业论文，凡引用他人的研究成果均已在参考文献或注释中列出。论文主体均由本人独立完成，没有抄袭、剽窃他人已经发表或未发表的研究成果行为。如出现以上违反知识产权的情况，本人愿意承担相应的责任。声明人（签名）：辛无忌二O一四年3月30日摘 要压缩机的动叶顶端存在叶顶间隙。间隙内的流动十分复杂，作为叶片顶端的主要流动，它对压气机的系统性能和稳定性存在巨大的影响。因此，对它的研究具有重要的理论价值和实际意义。本文将使用CFD软件（NUMECA）模拟不同叶顶间隙时Rotor37的流场，以研究叶顶间隙大小对间隙流动的影响。研究结果表明，随叶顶间隙的减少，压缩机的压比及效率均呈上升趋势。通过对比分析中截面（50%叶片高度处）及近叶尖（96.67%叶片高度处）截面静压、马赫数及熵的分布图，发现不同间隙大小时，50%叶高处，最大熵区域均出现在叶片尾缘附近，即叶顶间隙对叶中截面流场影响较小；而在96.67%叶高处，随叶顶间隙的减少，最大熵区域远离叶片前缘的方向移动。此外，随着叶顶间隙大小的变化，近叶尖截面处激波的位置和强度也会发生改变。关键词：压缩机；叶顶间隙；间隙流动；数值模拟。AbstractOn the top of blades in turbomachinery there exists tip clearance. As a major flow phenomenon in that region, it has a significant impact on the system performance and stability of a compressor. Therefore, this kind of research has been one of the hot issues in the field of aerodynamics in turbomachinery.This paper focuses on the steady flow field of an air compressor using CFD software (NUMECA). According to the numerical method, the steady, three-dimensional, compressible, and viscous flow field with the original tip clearance is simulated. Then, the flow field with varied tip clearance is investigated. The computed results show that the compressor pressure ratio and efficiency reduce with the increase of the tip clearance. The static pressure, Mach number and entropy distribution at the midspan (50%) were analyzed, compared with those near the tip section. The results show that the region with the maximal entropy at the midspan appears near the trailing edge of the blade at different tip clearances. That is to say, the influence of the tip clearance is not distinct on the flow field at the midspan. However, on the 96% high of the blade, the region of the maximal entropy moves towards the leading edge of the blade with the increase of the tip clearance. Besides, both the intensity and location of the shock wave near the tip section alter with the change of the tip clearance.Keywords: compressor; tip clearance; clearance flow; numerical simulation.目 录第1章 绪论11.1 研究背景及意义11.2 国内外研究现状11.2.1 国内研究现状11.2.2 国外研究现状21.2.3 发展趋势31.3 NUMECA软件介绍41.4 本文研究方案51.5 主要研究内容5第2章 建模及网格划分72.1 NASA转子3772.2 网格的划分8第3章 数值计算和边界条件设定123.1 控制方程及湍流模型123.2 边界条件设定及初始解153.2.1 边界条件153.2.2 初始条件183.3 收敛准则19第4章 计算结果分析214.1 叶顶间隙取值214.2 计算结果分析21第5章 总结与展望405.1 总结405.2 展望40参考文献41致谢43浙江理工大学本科毕业论文I第1章 绪论1.1 研究背景及意义压缩机动叶的顶端存在叶顶间隙。由于叶片吸入侧（SS）和压力侧（PS）之间存在压力差，因而在该间隙处会产生从PS到SS的流体流动。因为这种流动十分复杂，并对压缩机的性能和稳定性存在巨大的影响。对这种流动的研究一直都是压缩机流动研究领域的热门话题之一。在实验和研究手段日趋发展的今天，压 缩 机定常非定常流场的研究仍面临着一些理论及实验测量的困难，因而数值模拟成为了一种普 适性的方法。它不 仅避免了实验测量产生的 误差，还能节省高昂的实验经费开 支，并详细清 楚 地显示了压缩机流场的复 杂变化情况，为压缩机定常非定 常流动 研究提供了充分的数 据支持。1.2 国内外研究现状作为压缩机动叶顶端的主要流动，叶顶间隙 流动与压缩机的性能和稳定性紧密相连，自20世纪50年代以 来就一直备受相关科研人员的密切关注。1.2.1 国内研究现状早些年就有很多人进行过压缩机叶顶间隙流动动的研 究。而近几年，随信息技术和计算手段的不断 发展，国内有越来越多的科研人员投入到了该领域的研究中，并取得了不少备受瞩目的成果。为了研究叶顶间隙对压缩机性能影响，刘长 胜等人 对两个 不同 半开式离心压缩机叶轮不同叶顶间隙条件下的三维粘性流场进行了 分析 。其分 析结果显示，流动效率及压比随间隙大小的减小而增大，对压缩机 的性 能有巨大的影响1 。马文 生等人的相关研究结果则表明，由于叶 片压力侧和吸入侧存在压差，流体穿过叶 顶间隙形成泄露流动，并在通道内形成漩涡流动，与主流流体 相互影响从而导 致熵的增加，进而影响压缩机的效率2。高学林 和袁新利用双重时间 步法对某 含静叶气 封和动叶叶顶间隙的亚音速轴流压缩机中间 三排叶 片所在的 流道进行 建 模并进行 非定常数值模拟 ，得出非定常计算得出的效 率比定常计算高 1% 左右的 结论3。此外，他们还对该压缩机中间三排 叶片进行了定常 与非定常数值模拟，分析 在不 同的静叶气封间隙和动叶叶顶间隙组合 下压缩机的流动特性，也取得了一定的成果4。西北工业大学动力与能 源学院对轴流式压缩机 孤立转子实验台的内部流动进行了三 维数值模拟。其数值计算结果与 实验测量结果对比分析证明了程序能够准确地预测孤立转子的总性能和基 元性能5。此外，动叶顶端流动的特性如：其 造成的损失、泄漏涡的特性、间隙 流动的形式等，也有较大的进展。张燕峰针 、楚武利和吴艳辉对叶尖率先出现失速信号的一亚音速轴流压缩机转子作了数值模 拟。其结果表 明，不同间 隙 条件 下泄漏涡的运行特性与压 缩机的性能 及稳定性密切 相关 6。1.2.2 国外研究现状随着CFD软件及其他各类技 术 的发展 完善，许 多 国外的研究者也取 得不少 举世瞩目的成果。压缩机流动的性能及效率取决于通道流动部分 的能量损失。Rains提出无论实验研究或者 理论研究，深入了解叶顶 间隙流动就应该关注其引起的损失。同 时，他 还说压缩机效率高低的判断 应该 以叶 顶间隙 流引起的损失为依据7。随时代的变化，叶顶间隙流动的 测量也更加简单、精确。利用旋转 式五孔探针 Lakshminara- yana等人详细测量了以轴流压 缩机的转 子 叶片顶 端区 域。对26%的叶片高度处进行测量，测量数据解释 了叶片顶端区域流动的复杂性，其中包含了叶顶泄露流、叶片 尾迹和环壁边界层的干扰8。通过对小型高 速压缩机转子近机 匣处的流场 的数值模拟 研究，吴艳辉等人发现叶顶泄漏涡在 近失 速情况下的转子通道内发生破 碎。涡破碎导致低能流体在外壁处大量聚集，从而造 成了外壁 边界层严重堵塞。由于涡破碎的近 失速情况，叶顶间隙涡附近形成了一个低速区。当质量流量进一步 减少时，流体在该区域迅速积聚并向上游移去。同时，该区域会阻止来流通过压力侧，并推动叶顶泄露流从压 力侧涌入邻近的叶片通道。此外，还发现即使在近失速状态，叶顶泄露流也会对 吸入侧边界层的发展产生影响9。利用激光多普勒仪Mailach等人 对德雷斯顿低速压缩机第三级转子叶片叶栅的周期性非定常流场进行了研究。并对 转子叶片中截面及叶顶等几个展向进行讨论。此外，借助压力传感器还提供转子非定常流 场的相关信息。其中，叶片中截面的流场是通过取稳定极限附近的一个工作点和设 计工作点来观察叶栅的干扰过程。实验结果显示了转子叶尖间隙涡和定子 尾流对叶顶的流场的强大的周期性干扰作用10，11。Chunill等人对 动叶叶顶 间隙处的 漩 涡脱落及 其造成的旋转失速现象进行了研究12。Knzelmann等人则对多极轴流 式压缩 机的 定常非定常 研究进 行了综述13。此外Inoue和Kuroumaru利用 旋转式五孔探针技术对轴流式压缩机转子叶顶区域的流场进行 了详细测量。其切向，径向和轴向相对速度分量，以及停滞压力和静态压力，均有两个轴向 位置，一个在转子下游，另一个在转子后缘。测量范围包括了26%的叶片。这些数据体现出叶尖区域复杂流动，受到了环壁边界层，叶片尾迹和叶尖泄漏流的影响。泄漏射流 在叶尖间隙内具有极高的速度并会与主流快速混合，从