轴流叶轮机械内流三维分离流态及拓扑结构研究

Axial turbine flow is generally rather complex due to strong inherent non-linearity. The flow separation and stall effecting performance and stability still can not be effectively predicted or controlled in a turbine. In this project, we will use non-linear dynamics and topology to study separation of turbine flow. The following topics are to be addressed: (1) Dynamics of turbine flow. Fluid dynamics models are to be established to investigate singularity pattern and structure of separation in turbine flow. (2) Flow around the separation point. We build a fluid dynamics model of an oil film on a solid surface to study relationship between streamlines and friction lines. Thereafter we concern development and combination of non-linear singularities in flow separation. (3) Topology of separation singularity on a solid surface. From investigation on topology of the separation singularity, we are to map the flow separation topology from two to three dimensions. (4) Topological stability of vortex shedding in separation flow and mechanism of flow response to external excitation. From research in this session, we are to predict flow separation and find control mechanism of flow separation inside the turbine. The work of this project will help us comprehensively understand and control separation of turbine flow. The study will contribute to further verifying the separation morphology and law of impeller internal flow and effectively controlling the internal flow separation.

轴流叶轮机械内部流动涉及的力学问题复杂，具有极强的非线性特征，影响其性能和稳定性的流动分离和失速仍不能得到有效预测与控制。针对该问题，本项目运用非线性动力学理论和拓扑分析的方法，研究叶轮机械内部流动分离。内容主要包括：（1）研究叶轮机内部流动的动力学特征，建立叶轮内部流动的控制方程与动力学模型，阐明叶轮内部流动分离奇点类型及分离形态；（2）研究分离点附近流动特性，建立物面油膜运动物理模型和动力学模型，探析流线和摩擦力线之间的关系，探究流动分离非线性奇点变化和组合规律；（3）建立物面分离奇点和空间的对应拓扑关系，分析分离奇点的拓扑规律，实现从二维物面到三维空间的流动分离拓扑结构扩展；（4）探明分离涡流动的拓扑结构稳定性及其流动结构对外激励的响应机制，从而预测流动分离现象，揭示内流分离的控制机理。本项目将进一步探明叶轮内部流动的分离形态和规律，为实现内流分离的有效控制创造条件。

轴流叶轮机械内部流动涉及的力学问题复杂，具有极强的非线性特征，影响其性能和稳定性的流动分离和失速仍不能得到有效预测与控制。针对该问题，本项目运用非线性动力学理论和拓扑分析的方法，研究叶轮机械内部流动分离。内容主要包括：（1）研究叶轮机内部流动的动力学特征，建立叶轮内部流动的控制方程与动力学模型，阐明叶轮内部流动分离奇点类型及分离形态；（2）研究分离点附近流动特性，建立物面油膜运动物理模型和动力学模型，探析流线和摩擦力线之间的关系，探究流动分离非线性奇点变化和组合规律；（3）建立物面分离奇点和空间的对应拓扑关系，分析分离奇点的拓扑规律，实现从二维物面到三维空间的流动分离拓扑结构扩展；（4）探明分离涡流动的拓扑结构稳定性及其流动结构对外激励的响应机制，从而预测流动分离现象，揭示内流分离的控制机理。本项目通过理论推导建立了轴流叶轮机械内部流动的数学模型，依据所建立的数学模型构建叶轮机械内部流动的动力学系统，根据非线性动力学理论，由非奇异性线性变换得到动力系统。通过数值模拟手段分析了不同工况下的叶轮机械内部流动情况，尤其是非稳定状态下的工况。通过实验、数值模拟等方法得到了不同分离面表面奇点分布、流动形态和变化规律。通过数值模拟和实验的方法采用截面流态法和Q准则获取流动分离涡结构形态，进而得到三维分离涡结构与表面极限流线的关系。建立表面分离流态与三维分离流态之间的关系。依据前述研究中得到的流动分离与外界环境扰动的关系，通过对叶轮机械外部施加扰动得到不同状态下的流动状况。分析不同工况下的扰动对流动分离的控制效果，找到多种控制流动分离的方法。最终，构建了叶轮机械从二维叶栅到三维叶栅、静叶到转子、平面到空间的流动分离模型，为流动分离产生的机理和后期控制打下了坚实的理论基础。