徐建中 叶轮机械气动热力学的回顾与展望

第33卷 第9期 1999年9月西 安 交 通 大 学 学 报JOURNAL OF XI AN JIAOTONG UN IVERSITYVol.33 9Sep.1999叶轮机械气动热力学的回顾与展望徐建中(中国科学院工程热物理研究所,100080,北京)摘要:对半个世纪以来叶轮机械气动热力学的重要发展,特别是两类相对流面理论和三维粘性流动的数值解法作了回顾;对其今后的发展,特别是非定常流动研究方面可能取得的巨大进展作了展望.关键词:叶轮机械;内部流动;气动热力学中国图书资料分类法分类号:TK123Review and Prospect of Aerothermodynamics of TurbomachineryX u Jianz hong(Institute of Engineering T hermophysics,Chinese Academy of Sciences,Beiji ng100080,China)Abstract:The v ital developm ent of aerothermodynamics of turbomachinery during the past half centu ry,particularly the theory of two kinds of relative steam surface and the research on numerical meth ods of3 D v iscous flow,have been review ed.Moreover,their future development,especially in the field of unsteady flow,has been prospected.Keywords:tur bomachinery;inter nal f low;aerother modynamics内部流动气动热力学是研究在一定边界范围的空间内流体运动规律的一门学科,是工程热物理学的一个分支.与外部流动相比:一方面,在运动的控制方程中,许多内部流动问题出现与外部流动不同的作用力项;另一方面,即使控制方程相同,由于内部流动中存在各种不同的边界,二者的边界条件亦不一样.因此,内部流动有着与外部流动不同的规律和特点,需要加以专门的、系统的研究.由于各种内部流动通常与工程中使用的各类装置或机械联系在一起,在内部流动方面的研究中:一方面是通过理论分析、数值计算和实验,来揭示流动现象普遍的、共同的规律和主要特征,这属于基础性研究的范畴,同时由于研究对象的复杂性,除采用上述方法外,还不得不使用经验的方法和经验数据,使问题在要求的期限内得以解决;另一方面则是建立这些装置和机械设计的理论体系和相应的计算方法,以提高其性能、寿命和工作可靠性,这些是应用研究的内容.显然,在各种流动问题中,这二者往往是紧密联系在一起的.在各种内部流动中,叶轮机械内的流动是最为复杂的一种.由于其包含旋转部件,控制方程中出现了离力项和哥氏力项,与通常的外部流动有很大的不同,而边界条件和初始条件也更为多样,包括特有的周期性条件等;多排转动和静止叶片交错排列,使收稿日期:1999 04 28. 作者简介:徐建中,男,1940年3月生,西安交通大学兼职教授,博士生导师,中国科学院院士.本文系 庆祝陈学俊院士80华诞暨能源与动力工程科学报告会 的特邀报告.流动具有很强的非定常性;此外,还有叶轮机械所特有的轴向问题和径向间隙.这些区别,使叶轮机械内部流动的图景十分丰富和异常复杂,其研究亦更为困难.此外,有时还要考虑流动与固体之间的耦合作用、流动与传热的相互作用、气固两相流、气液两相流、油气水三相流动、真实气体效应和非New ton流体等,整个问题的解无疑是极其困难的.另一方面,作为一种产生功的机械,叶轮机械是蒸气轮机、燃气轮机和其他许多作功装置的主要部件,在国民经济和国防安全中发挥着十分重要作用.因此,其内部流动的研究一直受到高度的重视.这门学科,最初是随着蒸气轮机的发展而逐步建立起来的.由于控制方程的强非线性和边界条件、初始条件的复杂性,在本世纪三四十年代,不可能对它们进行深入研究,普遍的做法是借助于外部流动关于机翼流动研究的结果,为设计提供简单的一维流动计算方法,即仅在进、出口截面用速度三角形来设计,而无从考虑叶片沿叶高方向的扭转规律.1 两类相对流面理论体系随着燃气轮机在航空发动机中占据统治地位,迫切要求深入研究叶轮机械的内部流动.为了反映叶轮机械流动的本质,我国科学家吴仲华教授指出,必须采用考虑叶片间相互作用的方法来重新研究这一问题.50年代初,他创立了叶轮机械三元流动理论[1],对叶轮机械气动热力学的发展做出了重大贡献.在当时电子计算机的运算速度和储存能力下,不可能直接求解叶轮机械三元粘性流动的控制方程.抓住流动的三元性这一主要矛盾,在三元流动理论中将复杂的三元流动巧妙地分解为两族密切相关的流面上的二元流动.通过这两族流面上二元流动解的迭代便给出了整个三元流动的解.因此,它也常被称为两类相对流面理论,为分析叶轮机械内部流动提供了一个明晰的思路.分析这一理论时,不难发现,流面偏导数架起了从空间的三元流动通向流面上二元流动的桥梁,而流片厚度和流面间的作用力是这一理论的两根支柱.为使两类流面模型的计算方法方便地应用于叶轮机械的复杂边界,又提出了任意非正交曲线坐标系下用任意非正交速度分量表达的基本方程和数值解法[2].这一方法也同时解决了计算机程序的通用性问题.随着计算机的发展和普及,这一理论和相关的计算程序逐渐被广泛地用于国内外叶轮机械的研究和设计.一些著名的航空发动机,如波音707和747飞机、三叉戟飞机、F16等军用飞机的发动机,在设计中都应用了这一理论和方法.在国内,它亦被成功地用于叶轮机械的设计和研究,逐步形成了我国自己的叶轮机械三元流动设计体系与软件包[3].为在设计过程中控制和减少各种流动损失,各种反问题和混合问题的数值解法应运而生.它们大致可分为直接法和间接法两类:前者通过反演变换,得出坐标方程,直接解出待定的几何坐标;后者则是基于正问题的解法,用试凑、修改的方法来确定所需的叶型.目前,在二元反问题研究取得很大成果的基础上,正在开展三元反问题解法的研究.由于三元问题的复杂性,在一段时间内,可能间接法或半直接法更为简便实用.这里的半直接法,是指仅将一个或两个空间坐标作为未知函数来反演和求解.2 三维粘性流动数值方法80年代中期以来,计算机硬件和软件的性能有了突飞猛进的提高;同时,计算流体力学(CFD)中各种方法和差分格式不断出现与改进,这些使求解叶轮机械内部流动三维Navier Stokes方程的研究取得了巨大的进展.以TVD为代表的各种高精度、高分辨率格式[4],不仅大大缩短了计算时间,而且大大提高了计算精度.为适应叶轮机械复杂边界的需要,无反射边界条件[5]被普遍采用.总的说来,叶轮机械求解三维Navier Stokes方程的工作,除了进一步改进数值计算方法,特别是湍流模型方面还有一些工作外,已经成为流动设计和分析的有力工具,得到了广泛应用.对于湍流模型,在相当一段时间内,即使是比较简单的外部流动,尚看不到可能解决的前景,更不用说对复杂得多的叶轮机械的内部流动了.在这种情况下,随着计算机技术的进步,各种直接模拟的方法呈现出方兴未艾的景象,新的解法在不断涌现.另一个发展的重要方向是并行计算,它将大幅度提高计算速度,使大规模的科学和工程计算成为可能.这两个方向的工作,都需要与计算数学等方面的进展相结合,在算法上有所突破.三元粘性流动计算的另一个重要问题是流动与传热耦合的研究.进一步将机理与复杂结构、新的冷2西 安 交 通 大 学 学 报 第33卷却方式相结合,可以大幅度提高涡轮的进口温度,从而改善燃气轮机的性能,延长其寿命.在地面燃机中,已广泛采用包括中间冷却、回热在内的各种复杂循环,这也是提高燃机性能的有效途径.总的说来,在这方面是大有可为的.在上述这些工作的基础上,有可能探讨各种气动优化问题.预计,考虑多点性能的优化方法将得到很大发展,在设计中发挥重要的作用.90年代以来,微发动机(microeng ine)引起了广泛重视.作为其主要部件,微叶轮机械和其它微通道(如燃烧室、排气管道)内的流动与常规流动有很大的区别,包括物理模型、求解方法和试验技术、测量手段等方面.因此,这方面的研究将有一个广阔的天地,可以大有作为,而它的应用也将给叶轮机械和发动机行业注入新的活力.3 叶轮机械流动试验研究由于叶轮机械内部流动极其复杂,实验研究非常重要.随着测试手段的发展,特别是对流场无干扰的非接触式光学测量仪器和响应时间短的动态传感器的出现,实现了深入到流场内部的实验测量.这些先进的测试技术与相应的数据处理软件相结合,为叶轮机械流场的实验研究提供了有力的工具.为了减少实验和测量的困难,更细致地了解流动情况,还设计了各种专门的实验台.例如,为搞清粘性对流动的影响,仔细地研究流动的不同形态和结构,在低速大尺寸旋转实验台上进行了大量试验.这些工作对分析和了解叶轮机械内部复杂的湍流流动、涡系结构、间隙流动等,有着很大的作用.各种叶型的研究,对提高叶轮机械的性能有重要意义.先是弯扭叶片,其应用由透平叶栅扩展到压气机叶栅,成型规律也从单纯弯扭改进为弯扭联合成型.这以后,出现了弯掠(swept)叶片的概念,在当代先进的高性能风扇和压气机中得到广泛应用,对航空发动机的发展起到了很大的作用.今后,为了进一步提高风扇和压气机的性能,应在充分发挥激波增压作用、提高级压比的同时,注意控制各种相关损失,保持较高效率、较大的失速裕度和在低工况时的良好性能.为此,必须开展三维造型方面的工作.应当指出,理论分析、数值计算和实验测试是研究叶轮机械流动的三种主要手段.只有将它们有机结合起来,互相补充和校正,才能深入地揭示流动的基本规律.随着测试手段进一步向动态、三元场测量的方向发展(这一点尤为重要),现代测试技术和计算流体力学已经可以提供流场的丰富信息,为真正深入到流场内部结构的研究展示了美好的前景,也为流动的控制创造了必要的条件.为了识别并进而分析实验和计算所提供的流场信息,有必要采用一些新的数学物理方法.在这方面,混沌理论、分形理论和神经网络方法等可发挥重要作用,而这些理论和方法本身也将得到发展.可以预期,试验研究工作将会出现一个蓬勃开展的局面,各种新的控制流动的手段,亦将在工程中发挥很大的作用.4 非定常流动的研究从本质上讲,由于包含多排转动部件和静止部件,叶轮机械内部流动是非定常的.事实上,正是通过这种流动的非定常性,实现了叶轮机械的功、能之间的转换.随着对叶轮机械性能、工作可靠性要求的不断提高和高参数下多级及整机匹配的日益困难,自然有必要进一步研究其内部非定常流动的规律和特点.为使前述分别在转子和静子中求解三元Navier Stokes方程的方法适用于多排叶片,对转、静子间复杂的相互作用,必须提出正确的简化模型.在这方面,已经取得了一定的进展.有的模型,通过类似Reynolds应力的表观应力项的引入,方程包含了确定性周期非定常脉动对时均流动影响,可作为进一步研究这一问题的基础[6,7].时间精确解是一个重要的研究课题.根据非定常流动方程和初始条件、边界条件本身的特点来求解这种流动,发展理论上严格、计算上简便的算法,还是一个尚未解决的问题,而如何进行多排叶片的计算,则需先建立正确的物理和数学模型.当然,这一工作还应与实验研究紧密结合,以便不断修改、完善模型和计算方法.这方面的研究有可能发现新的、重要的流动现象和流型,丰富甚至改变人们对一些现象的认识,并进而使现今的设计体系发生根本性的变化.在这方面,初步研究发现的热斑现象、时序(clocking)问题等已引起广泛的重视.总之,这一方面的工作将更深刻地从本质上揭示叶轮机械流动的规律,从而使其性能、工作可靠性和寿命都得到进一步提高.还应指出,随着性能参数的不断提高,级间匹配和整机匹配的问题空前严峻,有可能成为提高性能、寿命和工作可靠性的重要障碍.为了解决这一问题,3第9期 徐建中:叶轮机械气动热力学的回顾与展望需在非定常流动方面进行工作,在掌握机理的基础上,提出可行的方法和措施.在叶轮机械特有的旋转失速、喘振等非定常现象的研究上,提出了压缩系统失速和主动控制的概念.与此同时,许多被动控制的方法及其机理的研究,也受到很大的重视,并取得了一定的进展,有些手段还在实际工程中得到了应用.对非定常现象与叶轮机械中叶片、盘、轴等固体部分相互作用的研究,导致了气动弹性力学这门交叉学科的诞生.由于叶片颤振现象的重要性,对于它的研究正在逐步深入,已经从对现象的比较简单的预测方法的探讨,逐渐发展到结合机理研究来建立适用范围较广的预测准则和防止方法.为适应环境保护的需要,近年来叶轮机械气动声学的研究取得很多有意义的进展,使发动机的噪声水平大幅度降低,以达到环保的要求.随着这方面工作的发展,将进一步揭示气动声学现象的机理,不仅可以进一步遏制噪声水平,还有可能用它来激发某些流动现象,改进和控制流动过程.这将是一个有可能取得重大进展的领域.前面已经指出,为了正确识别并充分分析实验和计算所提供的丰富信息,有必要采用一些新的数学物理工具.对于十分复杂的非定常流动来说,由于考虑随时间变化的海量数据的处理,这一点显得尤为重要.5 结 语在航空工业和动力工业需求的推动下,以叶轮机械气动热力学为代表的内部流动气动热力学在过去的50年中,有了巨大的发展.叶轮机械三元流动理论和三维粘性流动计算方法成为分析和设计的有力工具,对这一学科的发展和各类叶轮机械的发展做出了巨大贡献.由于计算技术和测试技术的发展,已经可以得到复杂流场的多种信息,为真正深入到流动内部结构的研究,提供了有力的手段.这方面的工作与新的数学物理工具相结合,为本学科今后的发展展示了美好的前景.面对下一世纪,内部流动气动热力学将根据其流动本身的特点,在继续进行三维粘性流动研究的同时,把非定常流动作为主攻方向,解决包括流动和传热以及它们之间相互作用在内的一系列重大难题,从而更深入地从本质上认识流动的机理和规律,并有可能使现有的设计体系发生重大变化,继续大幅度地改进动力装置的性能和工作可靠性.参考文献:[1] Wu C H.A g eneral t heory of three dimensional flow insubsonic and supersonic turbomachines o f ax ial and mix ed flow ty pes.ASM E Paper,50 A 79,T rans of ASM E,1952,74:1363~1380.[2] W u C H.T hr ee dimensional turbomachines flow equations ex pr essed w ith respect to no northogonal curv ilinearcoordinates and methods of slution.In:P roceedings ofthe3rd ISA BE.M unich,Germany,1976.233~252. [3] Xu J Z,G e M C,Zhao X L,et al.T he three dimensional flow theo ry of turbomachinery,part2:design andanalysis system.A IAA J of Pro pulsion and Power,1998,14(6).[4] Harten A.Hig h resolution schemes fo r hyper bolic conservation laws.J of Computational Physics,1984,49:357~393.[5] Giles M B.Non reflecting boundary co nditions for Eulerequation calculat ion.AIAA J,1990,28(12).[6] A damczyk J J.M odel equation for simulating flows inmultistage turbomachinery.NA SA T M 86869,1984. [7] Rhie C M.Development and application of a multistageN av ier Stokes solv er,part1:multistage modeling usingbody forces and deterministic stresses.ASM E Paper,95 GT 342,1995.(编辑 赵大良)4西 安 交 通 大 学 学 报 第33卷。