亚、跨声速下结构/气动参数与离心叶轮顶隙涡流耦合机理的研究

The main objective of the proposal is to better quantify the vortex dynamic characteristics and the flow losses in the tip clearance of a centrifugal impeller, which is proposed based on the current fundamental research situations and development tendency of turbomachinery. This will be achieved through a coordinated modeling and experimental effort that: (A) experimentally validates the numerical simulations, (B) utilizes well planned simulations and experiments to directly obtain detailed and fine flow information, (C) analyzes and understands the physical mechanisms and (D) builds up a gas dynamic model. Focus will be placed on (A) understanding the coupling between geometry/dynamic parameters and inner leakage, (B) the pick-up of tip clearance vortex and the understanding of its physics mechanism, (C) the development of a dynamic loss model for consideration of the tip clearance. This proposal is focused on simulations and experiments of the phenomena with the tip clearance vortex in order to investigate the mechanisms and to explore the model, which describe the relations between centrifugal aerodynamic structures and internal flow. It will involve well-designed experiments by testing flow performance and obtaining key data of fluid flows in unshroud centrifugal impeller with sub/transonic velocity, and involve interdisciplinary means and techniques for analysis and measurement （aerodynamics, test technology, information processing technology, and mathematical analysis）. The emphasis will be on clarifying the coupling characteristics between geometrical/aerodynamic parameters and the tip clearance vortex which mainly includes both of the aerodynamic and flow status, presenting a model to predict and developing a way to reduce the aerodynamic losses due to the tip clearance.

拟申请研究内容基于对国内外离心叶轮顶隙涡流运动及气动损失的研究现状和发展趋势提出的。整体工作以数值与实验验证-精细流场信息获得-物理机制分析-气动模型建立为主线条展开。主要研究内容包括：顶隙结构/气动参数与内泄漏的耦合关系、顶隙涡流特征的提取与物理机制认识、气动损失模型的建立。研究计划以实验为验证支撑点，以精细数值模拟和理论分析为主。以亚、跨声速半开式离心叶轮气动性能和关键流场实验测量来构造实验方案，采用学科交叉（空气动力学、流动测试技术、信号与图像处理技术、数学分析方法）的方式，完成顶隙涡流形成、发展和衰减内在关联因素的分析，澄清几类典型叶轮的结构/气动参数与顶隙内泄漏轨迹迁移耦合特征，这一特征主要体现在：气动（激波干涉、主流与内泄漏流掺混、刮削涡强度演变）、流态（幅值、频率、相位）。最终建立与顶隙涡流关联的气动损失模型，为半开式离心叶轮的气动优化设计提供控制顶隙涡流损失的方法。

本项目基于国内外离心叶轮顶隙涡流运动及气动损失的研究现状和发展趋势，以数值与实验验证-精细流场信息获得-物理机制分析-气动模型建立为主线条展开研究工作。主要内容包括：顶隙结构/气动参数与内泄漏的耦合关系；顶隙涡流特征的提取与物理机制认识；半开式离心叶轮流道内部结构参数影响下的流动特征、顶隙流和流道涡的分析方法探索；全自动三维多目标优化方法的研究。研究以亚、跨声速半开式离心叶轮气动性能和精细流场数值模拟与实验验证为出发点，采用学科交叉（空气动力学、流动测试技术、信号与图像处理技术、数学分析方法）的方式，完成对离心叶轮顶隙涡流运动及气动损失的研究。研究成果有： 1）间隙对叶轮气动性能影响具有分段线性分布特点，明确了叶轮流道中流动效率与载荷之间的相关性；2）确定了叶片载荷的分布形式与叶轮性能之间的匹配关系，结果可为大流量系数半开式叶轮的顶隙设计提供直接指导；3）间隙、间隙泄漏量、叶顶载荷之间关系的确立，为深入考察间隙对叶轮性能的影响规律提供了基础；4）叶顶间隙处的流场特征及能量损失，明确了间隙流动损失机理；5）激波的判定方法及不同间隙激波分布特征，确定了激波产生位置并对激波能量损失进行了评估；6）半开式离心叶轮流道内部结构参数流动特征、顶隙流和流道涡的分析，应用刮削率计算方法和偏最小二乘方法对间隙泄漏流影响因素的量化分析，并采用联合涡系提取法对流动涡流动特征进行分析；7) 开发了亚声速叶轮拓展至跨/超声速叶轮的多目标自动优化与设计体系。本项目研究获得了离心叶轮叶顶间隙流动内泄漏分布与变化规律；解析了离心叶轮叶片结构/气动参数与间隙涡形成与发展的耦合机理；提出了在边界层效应影响下间隙涡流结构的辨识与分析方法，在理论基础上发展了多目标全自动优化方法，并开发了相应的较完整的优化软件系统，对工程实际应用具有重要实用价值和理论指导意义。