2级涡轮内部流动定常与非定常计算差异研究
水翼非定常空化流动中湍流模型研究
水翼非定常空化流动中湍流模型研究李雨濛; 陈晖; 项乐; 张亚太【期刊名称】《《火箭推进》》【年(卷),期】2019(045)006【总页数】9页(P29-37)【关键词】水翼; 空化流动; 非定常; 湍流模型; MFBM【作者】李雨濛; 陈晖; 项乐; 张亚太【作者单位】西安航天动力研究所液体火箭发动机重点实验室陕西西安710100【正文语种】中文【中图分类】V431; TV131.320 引言近年来航天不断发展，液体火箭发动机作为重要的动力来源也不断更新换代。
新一代液体火箭发动机以液氢液氧或液氧煤油作为推进剂，比冲高，推力大，工作时间长，在大型运载火箭上得到广泛应用。
涡轮泵作为液体火箭发动机的核心部件，在高转速的环境下工作易导致涡轮泵内出现空化，影响液体火箭发动机的可靠性[1-5]。
空化作为水力机械中经常出现的一种现象，会造成水力机械性能明显降低[6]，材料表面破坏，引起振动和噪声等[7-8]。
空化对动态响应特性的改变会使流动内部出现不稳定性，多个国家在研究液体火箭发动机涡轮泵时都碰到过空化不稳定带来的问题乃至事故。
例如，在日本H-2火箭的第8次发射中，空化不稳定诱发的脉动频率与泵前导流叶片固有频率相近，引起共振导致叶片疲劳断裂，转子失衡及摩擦，并最终导致发动机停机发射失败。
为了减小空化不稳定带来的危害，各国学者做了多方面研究[9]。
由于水力机械几何过于复杂，便从较为简单的水翼非定常空化入手。
时素果等[10]研究了热力学效应对空化水动力脉动特性的影响，得到了水翼升力在非定常空化阶段的特征频率。
Wang等[11]研究了附着空化流动，对空化初生进行了探究。
Leroux等[12]对水翼的云状空化进行研究，发现翼型表面不同位置压强随时间变化不同，得到云状空化两种不同的动态特性。
尹必行等[13]采用试验研究与数值模拟相结合的方法研究绕水翼ys930的非定常空化流场结构，得到片状空化和云状空泡两个不同的阶段。
离心泵内部空化流动的定常数值模拟及性能预测
离心泵内部空化流动的定常数值模拟及性能预测刘宜;陈建新;宋怀德;李爱学;李永乐【摘要】为了研究离心泵内部的空化流动,利用fluent软件中的空蚀模型及混合流体两相流模型,对离心泵的三维湍流空蚀流场进行定常数值模拟,根据模拟计算结果显示的液相和空泡相流动特征,预测了离心泵在设计工况下运行时流道内空化发生的位置和程度;通过分析空蚀发生过程中叶片上的压力分布,揭示出离心泵流道内部流场的内在特性,最后对泵的性能进行了预测,说明数值模拟可以为离心泵在特定工况下运行时的空化性能预测提供依据.【期刊名称】《新技术新工艺》【年(卷),期】2010(000)008【总页数】5页(P41-45)【关键词】离心泵;定常数值模拟;空化;叶片【作者】刘宜;陈建新;宋怀德;李爱学;李永乐【作者单位】兰州理工大学流体动力与控制学院,甘肃,兰州,730050;兰州理工大学流体动力与控制学院,甘肃,兰州,730050;兰州理工大学流体动力与控制学院,甘肃,兰州,730050;上海凯泉泵业(集团)有限公司,上海,200436;兰州理工大学流体动力与控制学院,甘肃,兰州,730050【正文语种】中文【中图分类】TH311空化现象对离心泵性能具有重要的影响，离心泵在实际运行的过程中，空化现象的发生导致离心泵扬程下降，进而引起泵运行特性的改变、振动和噪声等一系列问题，严重时会使泵中液流中断，不能正常工作，所以空蚀破坏是引起离心泵故障的主要原因之一，提高离心泵的空化性能对离心泵安全、稳定、高效的运行具有重要意义。
随着计算机技术和CFD技术的快速发展，从研究离心泵内部流体的流动机理出发，用数值模拟研究离心泵内部空化流动，指导改善离心泵内部的空化性能已成为离心泵性能分析、优化设计的一个重要阶段。
本文将以某厂生产的单级离心泵为研究对象，采用Fluent软件，将Singhal等人研究发展的三维混合流体完整空化湍流模型与混合流体两相流模型相结合，对离心泵内部的全流道三维空化流动进行定常数值模拟研究，分析了在设计工况下离心泵叶轮内部流场的压力、速度、空泡体积分数分布和离心泵整机性能，这对改善离心泵的空化性能、优化设计有着重要的意义。
2级涡轮内部流动定常与非定常计算差异研究
2级涡轮内部流动定常与非定常计算差异研究杨杰;周颖;潘尚能;卢聪明【摘要】为获取进而认识涡轮内部流动状态,以某2级约化形式的动力涡轮为研究对象,分别对其进行定常和非定常数值计算和分析.研究表明:定常计算与非定常计算对涡轮内部流动的模拟结果,如叶片表面的压力分布、叶排进出口的气流角、叶片通道中的二次流流向涡、展向涡、叶片通道中的损失等,均存在差异;流动的非定常性越强,定常与非定常计算结果的差异越大,且该差异大小对于静叶与动叶呈相反的展向分布规律.【期刊名称】《航空发动机》【年(卷),期】2016(042)003【总页数】7页(P21-27)【关键词】涡轮;内部流动;定常;非定常;数值模拟;涡;航空发动机【作者】杨杰;周颖;潘尚能;卢聪明【作者单位】中航工业航空动力机械研究所,湖南株洲412002;中航工业航空动力机械研究所,湖南株洲412002;中航工业航空动力机械研究所,湖南株洲412002;中航工业航空动力机械研究所,湖南株洲412002【正文语种】中文【中图分类】V231.3引用格式：杨杰，周颖，潘尚能，等.2级涡轮内部流动定常与非定常计算差异研究[J].航空发动机，2016,42（3）：21-27.YANG Jie,ZHOU Ying,PANShangneng,et al.Study of differences between steady and unsteady computation for two-stage turbines internalflow[J].Aeroengine,2016,42(3):21-27.对涡轮内部流动的数值模拟是获取进而认识涡轮内部流动状态的重要手段，有定常计算和非定常计算2种方法。
定常计算方法所需的计算机硬件资源少、花费的机时少，能快速获取模拟结果。
涡轮内部的流动本质上是非定常的，定常的数值计算必然会丢失相关的非定常信息，无法获取非定常流动特征。
掌握定常计算结果与非定常计算结果之间的差异是衡量选用何种计算方式的重要依据，更是工程计算中用定常计算代替非定常计算的必要前提。
定常&非定常
du dy
μ 粘度
符合牛顿粘性定律的流体称为牛顿型流体 μ单位 1 P＝100 cp＝0.1 Pa·S P 泊， cP厘泊 μ可由实验测定，粘度计 μ与P关系不大，但与T关系很大 注： 气体粘度一般远小于液体粘度 液体：μ随T↑而↓ 气体：μ随T↑而↑ 气体分子碰撞加剧
2.2.5 流动边界层 平板边界层 边界层的形成 边界层：由于流动受壁面影响而存在速度梯度区 域 边界层厚度：自壁面到流速达到流体主体流速99 ％处的厚度 Re数 ↑，边界层厚度越薄 边界层内速度梯度较大，即使流体粘度很小，也 会产生较大的内摩擦力
2
流体流动从管道入口开始形成边界层直到发展到 边界层在管道中心汇合为止的长度，称为稳定段 长度 层流下： 湍流：稳定段长度较短，一般为圆管直径的50～ 100倍 只有在稳定段后，流动型态和流速分布才能保持 稳定不变
2.2.6 动量传递 相当于牛顿粘性定律换一个角度考虑 层流流动的相邻两层流体中，流速较高的流体层 中的分子因分子扩散作用进入低速流体层中，促 使低速流体层加速 同时，低速层中的分子也因分子扩散作用进入告 诉流体层，使高速流体减速，相当于两相邻层流 体之间相互施加了一种反向的内摩擦力，即剪切 力
惯性力 爬流，可忽略 Re数大，惯性力起主要作用 粘性力 ③可用于判断两个流动系统是否相似 若系统几何相似，且Re数相同 → 两者流动型态相同 流体动力过程相似 Re =
②
Re数小，粘滞力起主要作用，
层流 ⎫ ⎬2种流动型态 湍流 ⎭ 过渡区域
注意：(1) 圆管d － 管直径， 非圆管 de － 当量直径 de ＝ 4 rH，4倍的水力直径，
τ =μ
ν=
μ ρ
汽轮机级内的非定常流动的数值模拟
汽轮机级内的非定常流动的数值模拟1.介绍由于前后的结构限制，单一涡轮叶栅的进口和出口处的流场参数（边界条件）很难定义下来。
因此，可以选择把好几个级作为一个整体进行分析，此时界面流场的结果就很容易用数值进行模拟。
当然，这个整体可以提供更多的信息，例如，叶片受力情况，寿命等等。
从混合平面到完全的非定常作用，这些各不相同的耦合方法已经都被使用过。
本篇文章主要研究定子和转子之间的非定常作用，对此，我们已经提出了两种有限分析处理方法。
第一种分析方法假定一个相对简单的定子—转子匹配情况，在基于罗伊对Riemann解的非结构网络化的近似理论，实现了对现有的内部二维有限体积法的算法证明。
第二种分析方法来源于对两相冷凝蒸汽流动的Lax-Wendroff二维有限体积分析法和Giles匹配算法的有机结合，这种方法已经成功的在高压涡轮叶栅的单相定子—转子间相互作用的计算中得到验证。
2.控制方程和问题提出这两种流动模型通过偏微分的形式给出W=--G+Q （1）理想气体的二维流动可以用欧拉公式描述，可以进一步称为单相流动模型，也可以用这个公式表示W=[, F=[,)Q=[0,0,0,0G=[（2）其中表示密度，是速度的矢量分量。
P表示压力，e是每单位体积的能量。
表示比热容。
下面的模型描述的是蒸汽和冷凝水混合物的流动，也被称为两相流动模型。
我们假设液滴被蒸汽带动着进行流动。
这个控制方程包括对混合物的欧拉方程和液滴参数的传递方程。
因此，表达式如下（3）此时，代表混合物的密度，代表蒸汽和液体平均速度的矢量分量。
P表示平均压力，e是每单位体积的能量。
代表湿度。
方程组加上压力方程封闭（即有解），压力方程如下（4）L表示凝结潜热，比热容这里作为温度函数。
Hill参数如下：（5）N表示每单位质量混合物中的液滴数，表示第i个液滴的半径，r表示平均半径。
数量级作为计算时的单位，每单位体积每秒新凝结的液滴数J根据下面的公式计算（6）新的液滴半径用表示，蒸汽密度为蒸汽的温度用理想气体定律计算。
反转双涡轮机械非定常流动与干涉控制
摘要 ：为 了大幅度提 高水 力机械 的动 力性 能及 运行稳 定性 ， 开发 研 制 了反 转 双涡轮 灯 泡贯流 式 水 轮 机组． 水轮机 的前后 涡轮 均采 用可动翼 型 ， 新提 出的翼型 公平 负荷设 计 方 法， 依 寻求 两涡轮 间 欧
拉 能量 需求及 交换 的合 理化 ， 严 密取得 欧拉 能量均衡 之 下设 计 两涡轮 由轮 毂 至轮缘 的翼 型形状 ； 在 接 着通过非 定常流动数值 解析探讨双 涡轮 水轮 机 的 欧拉 能量 平衡 程 度及 干 涉控 制 效果． 究 结果 研 表明： 流量相 等、 落差相 同、 几何 尺寸 与单 涡轮相 同时 ， 前后 涡轮 出力相加 动 力输 出增 为 ２倍． 析 分 了两涡轮 间、 涡轮 出 口与尾 水管入 口间的非 定常 流动 干 涉现 象， 到 了如 下的结论 ： 开发 的双 后 得 新 涡轮 间流动干 涉程 度非 常小 ， 联工况 时水力脉动 只为 各落差 的 ２ 程度 左右 ， 协 ％ 未见压 力 突变 的发
ｂ ａ ｅ ｓ ｓｅ ｗａ ｐ ｌｅ ｏ ｂ ｔ ｏｏ ｓ ｏ ｈ ｕ ｂ ｎ ．Ｂａ ｅ ｎ ｔｅ ｎ ｗ ｏ ｃ ｐｔｏ ａｒｂ ａ ｅ ｌａ ｉ ｇ， ｌ ｄ ｙ ｔ ｍ ｓ ａ ｐ ｉ ｄ ｔ ｏｈ ｒ ｔｒ ｆｔ ｅ ｔ ｒ ｉ ｅ ｓ ｄ ｏ ｈ ｅ ｃ ｎ ｅ ｆｆｉ— ｌ ｄ ｏ ｄ ｎ ａ ｌ ｇｃ ｌｂａａ ｃ ｆｓ ｐ ｌ ｎ ｅ ｎ ｏ ｌｒｅ ｅ ｇｅ ｅｗｅ ｎ ｔ ｅ ｔ ｏ ｏ ｓｗａ ｏ ｈ ． ｅ ｂ ａ ｅ ｏ ｉ ａ ｌ ｎ ｅ ｏ ｕ ｐ ｙ ａ ｄ ｄ ｍａ ｄ ｆ ｒＥｕ ｅ ｎ ｒ ｉ ｓｂ ｔ ｅ ｈ ｗｏ ｒ ｔｒ ｓｓ ｕｇ ｔ Ｔｈ ｌ ｄ ｐ ｏ ｌｓｆｏ ｈ ｂ ｔ ｉ ｒ ｅ ｉ ｎ ｄ ｔ ｅ ｈ ｑ ｉｉｒｕ ｏ ｌｒｅ ｒ ｙ ｓｒｃｌ ． ｈ ｕ ｒｃ ｌ ｒ ｆ ｅ ｒ ｍ ｕ ｏ ｔｐ ｗｅ ｅ ｄ ｓｇ ｅ ｏｋｅ ｐ ｔ ｅ ｅ ｕ ｌ ｉ ｍ ｆＥｕｅ ｎｅ ｇ ｔｉｔｙ Ｂｙ ｔ ｅ ｎ ｍｅ ｉａ ｉ ｂ ｕ ｓｅ ｄ ｏ ａ ａｙ ｉ ，ｔ ｅ ｅ ｒ ｅ ｏ ｌ ｒ ｅ ｒ ｙ ｂａａ ｃ ａ ｄ ｔ ｅ ｏ ｔｏ ｆｔ ｅ ｒ ｉ ｔｒ ｃｉ ｎ ｗｅ ｅ ｎ ｔａ ｙ ｆ ｗ ｎ ｌ ｓｓ ｈ ｄ ｇ ｅ ｆ Ｅｕ ｅ ｎｅ ｇ ｌ ｎ ｅ ｎ ｈ ｃ ｎ ｒ ｌｏ ｈ ｉ ｎ ｅａ ｔ ｒ ｌ ｏ
定常与非定常流动
定常流动流体（气体、液体）流动时，若流体中任何一点的压力，速度和密度等物理量都不随时间变化，则这种流动就称为定常流动；反之，只要压力，速度和密度中任意一个物理量随时间而变化，液体就是作非定常流动或者说液体作时变流动。
所以，定常流动时，管中流体每单位时间流过的体积(体积流量)qV为常量，流体每单位体积的质量(密度)ρ也是常量。
非定常流动流体的流动状态随时间改变的流动。
若流动状态不随时间而变化，则为定常流动。
流体通常的流动几乎都是非定常的。
分类按流动随时间变化的速率，非定常流动可分为三类：①流场变化速率极慢的流动：流场中任意一点的平均速度随时间逐渐增加或减小，在这种情况下可以忽略加速度效应，这种流动又称为准定常流动。
水库的排灌过程就属于准定常流动。
可认为准定常流动在每一瞬间都服从定常流动的方程，时间效应只是以参量形式表现出来。
②流场变化速率很快的流动：在这种情况下须考虑加速度效应。
活塞式水泵或真空泵所造成的流动，飞行器和船舶操纵问题中所考虑的流动都属这一类。
这类流动和定常流动有本质上的差别。
例如，用伯努利方程（见伯努利定理）描述这类流动，就须增加一个与加速度有关的项，成为：,式中为理想流体沿流线的速度分布；A和B表示同一流线上的两个点;P 为压强;为密度；g为重力加速度；z为重力方向上的坐标；ds为流线上的长度元。
③流场变化速率极快的流动：在这种情况下流体的弹性力显得十分重要，例如瞬间关闭水管的阀门。
阀门突然关闭时，整个流场中流体不可能立即完全静止下来，速度和压强的变化以压力波（或激波）的形式从阀门向上游传播，产生很大的振动和声响，即所谓水击现象。
这种现象不仅发生在水流中，也发生在其他任何流体中。
在空气中的核爆炸也会发生类似现象。
除上述三类流动外，某些状态反复出现的流动也被认为是一种非定常流动。
典型的例子是流场各点的平均速度和压强随时间作周期性波动的流动，即所谓脉动流，这种流动存在于汽轮机、活塞泵和压气机的进出口管道中。
两级高压涡轮三维时序效应研究
两级高压涡轮三维时序效应研究李昂;薛伟鹏;葛宁【摘要】为研究三维时序效应对多级涡轮效率的影响，采用课题组自主研发的三维CFD计算软件NUAA-Tur-bo，对GE公司高效节能发动机两级高压涡轮进行了非定常数值模拟。
其中，边界条件的设置采用了相位延迟方法。
计算结果表明，涡轮性能参数计算结果与实验数据基本吻合。
先后验证了二维时序效应、三维时序效应对涡轮流场的影响，并利用非定常计算结果进行了分析。
证实应用三维时序效应，可改变第一级转子叶片尾迹在第二级转子叶片前缘的相对位置，以及第二级转子叶片不同叶高处吸力面尾缘的附面层流动，最终能够提高涡轮效率。
%In order to study the influence of 3D-Clocking effect in multistage turbine, the 3D CFD software NUAA-Turbo was used to simulate the GE-E3 two-stage high pressure turbine, and the phase-lag method was used in setting boundary conditions. The calculation result of turbine performance parameter was con-sistent with experiment data approximately. Farther more, the influence of 2D-Clocking and 3D-Clocking effect on turbine performance was validated, and the reason was discussed by unsteady results. Finally, the turbine efficiency increase caused by 3D-Clocking effect was confirmed, by changing relative position of upstream rotor wake in downstream rotor and changing distribution of boundary layer in suction surface of downstream rotor R2.【期刊名称】《燃气涡轮试验与研究》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】7页(P12-17,62)【关键词】高压涡轮;非定常计算;相位延迟法;弯曲叶片;三维时序效应【作者】李昂;薛伟鹏;葛宁【作者单位】南京航空航天大学能源与动力学院，江苏南京210016;中国燃气涡轮研究院，四川成都610500;南京航空航天大学能源与动力学院，江苏南京210016【正文语种】中文【中图分类】V231.3在能源问题日趋严峻的今天，低耗油率成为民用航空发动机设计中最重要的技术指标之一。
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2级涡轮内部流动定常与非定常计算差异研究
杨
杰，周
颖，潘尚能，卢聪明
（中航工业航空动力机械研究所，湖南株洲412002）
摘要：为获取进而认识涡轮内部流动状态，以某2级约化形式的动力涡轮为研究对象，分别对其进行定常和非定常数值计算和分析。
研究表明：定常计算与非定常计算对涡轮内部流动的模拟结果，如叶片表面的压力分布、叶排进出口的气流角、叶片通道中的二次流流向涡、展向涡、叶片通道中的损失等，均存在差异；流动的非定常性越强，定常与非定常计算结果的差异越大，且该差异大小对于静叶与动叶呈相反的展向分布规律。
关键词：涡轮；内部流动；定常；非定常；数值模拟；涡；航空发动机中图分类号：V231.3
文献标识码：A
doi ：10.13477/ki.aeroengine.2016.03.005
Study of Differences between Steady and Unsteady Computation for Two-Stage Turbine Internal Flow
YANG Jie,ZHOU Ying,PAN Shang-neng,LU Cong-ming
(AVIC Aviation Power-Plant Research Institute,Zhuzhou Hunan 412002,China )
Abstract:In order to find out internal flow state of turbine,taking a scaled two-stage power turbine as the research object,both steady and unsteady computations were conducted.The study shows that there makes obvious difference in the results of both steady and unsteady computation on the internal flow of turbines,including the pressure distribution on blade surfaces,the inlet/outlet flow angles of blade rows,the secondary flow streamwise and spanwise vortex in blade passages,the flow loss in blade passages.Moreover,the stronger the unsteadies of the flow show,the larger differences between steady and unsteady computation results are,and the magnitude of the differences between steady and unsteady computation results tend to follow opposite spanwise distribution rules for stators and rotors.
Key words:turbine ;internal flow ;steady ;unsteady ;simulation ;vortex ;aeroengine
航空发动机
Aeroengine
作者简介：杨杰（1983），男，博士，工程师，主要从事航空发动机涡轮气动设计与研究工作；E-mail:yjguy@ 。
引用格式：
第42卷第3期Vol.42No.3Jun.2016
0引言
对涡轮内部流动的数值模拟是获取进而认识涡轮内部流动状态的重要手段，有定常计算和非定常计算2种方法。
定常计算方法所需的计算机硬件资源少、花费的机时少，能快速获取模拟结果。
涡轮内部的流动本质上是非定常的，定常的数值计算必然会丢失相关的非定常信息，无法获取非定常流动特征。
掌握定常计算结果与非定常计算结果之间的差异是衡量选用何种计算方式的重要依据，更是工程计算中用定常计算代替非定常计算的必要前提。
对于叶轮机械的内部流动的定常和非定常数值模拟，国外[1-5]和国内[6-10]的学者都进行了大量研究，然而对于定常计算与非定常计算之间的差异的系统研究在公开文献中还很少见。
本文以某2级动力涡轮为研究对象开展了定常计算与非定常计算的对比研究。
1研究方法
1.1研究对象
选取某2级动力涡轮为研究对象。
该涡轮4排叶片数之比为0.98∶1∶1.04∶1，不成简单整数比。
为了减小非定常模拟的计算量，对该涡轮的2排导叶进行了叶片数约化处理，将2排导叶的叶片数调整成与2排动叶的叶片数相等。
约化后，4排叶片数之比为1∶1∶1∶1，即4排叶片的数目相等。
这样在非定常计算时，可充分利用周期性边界条件，每排叶片通道均只取1个。
该涡轮2排动叶均带冠和篦齿封严，但为了模拟叶尖泄漏流，取消了2排动叶的叶冠和篦齿，2排动。