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TurboTides二维通流优势在哪里?

作者:太泽透平


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Through Flow

通流

统一适用于轴流、混流和径流透平机械的设计和分析;考虑叶片力、端壁粘性和径向掺混;丰富的损失模型、堵塞模型、攻角和落后角模型…….具备在进气畸变条件下对航空发动机风扇/压气机进行性能预测的功能。

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TurboTides二维通流模块

二维通流 CFD 计算是多级轴流压缩机和透平设计的关键工具。轴流叶片 从叶根到叶尖变化很大,一维中线模型已不能满足相关的设计需求。在通流分析模式中,根据已有几何模型,自动生成通流分析网格。然后通过求解二维欧拉方程,应用叶片力模型和一些经验模型求解二维流场的速度和热力学参数。在通流设计模式中,根据用户提供的控制目标条件,调整叶片形状,并计算相关的二维流场。

通过校准的二维通流模型可以在很短的时间内对一个十几级的轴流机械进行计算分析,在很短时间内对新工况条件或新修改的设计结果进行预测,这是其比较三维 CFD 模型的最大优势。


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计算模型简化

吴仲华院士提出的叶轮机械三元流解法通用理论,把三元流动,简化为两个相对流面的二元气流求解的问题。S1流面定义为叶片到相邻叶片之间的轴线扭曲流面。S2流面定义为内廓到外廓的径向扭曲流面。


03

通流计算方法

对于几何形状和流动条件都比较简单的透平机械,采用激盘理论阐明的一些子午通流特性,但是该理论目前在设计和分析中的应用都十分有限。而对于具体非轴向环形通道、可压缩流动及叶片损失模型的单级和多级透平机械,目前以及开发出大量预测子午流场的计算方法,这些方法称为通流方法。

任意一种通流方法都会对需要求解的运动方程进行简化。首先,绝对坐标系和相对坐标系内的流动都设为定常流动。其次,假设流动为轴对称。在各个叶片排后,假设上游叶片尾迹的影响已因充分的掺混而消失,因此可认为流动参数在周向均匀分布。在叶片排内部,利用通流平均体积力及损失系数来模拟叶片自身对流动的影响。显然,因为采用了上述主要假设,采用通流方法获得的结果只是实际流动的一种近似解,但如果使用得当,仍然能够精确地显示子午流面的参数变化。

求解通流问题的三种技术

   

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流函数法:主变量为流函数,这种方法的优点是,可以通过轮毂和进气缸处的流函数的边界条件满足连续方程来简化数值运算,但该方法不适用于跨音速流动。
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矩阵通流方法或有限差分方法:两种方法都是在每一叶片排内(包括进气边和出气边),以及叶片排外的许多位置出进行径向平衡流场的计算。


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流线曲率法:子午坐标系:z轴为沿着轴线方向,r轴沿着径向方向。拟正交坐标系:z轴为沿着轴线方向,y向接近垂直于流面的径向方向。 流面:没有质量穿过的面,即垂直流面没有速度分量,流道被流面分为一系列的流管。


坐标转换公式:

根据坐标转换公式和轴对称特性,将柱坐标下的质量、角动量、能量方程简化成拟正交坐标系下对应的方程,先沿着拟正交线方向进行求解,再根据叶片区和无叶区流面上流动特性,耦合连接前后拟正交线,沿着Z轴依次向前推进,求解整个流场,此时求得流场和真实的流面结构并不能完全吻合,根据计算出的流场数据重定位流面,迭代至整个流场收敛。

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TurboTides二维通流优势

统一适用于轴流、混流和径流透平机械的设计和分析;

考虑叶片力、端壁粘性和径向掺混;

丰富的损失模型、堵塞模型、攻角和落后角模型…….

具备在进气畸变条件下对航空发动机风扇/压气机进行性能预测的功能。


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