双涵道中介机匣轮毂端壁构型设计及仿真分析.pdf

信息技术富裕等双涵道中介机匣轮毂端壁构型设计及仿真分析基金项目:国家科技重大专项()第一作者简介:富裕()男内蒙古赤峰人硕士研究生研究方向为中介机匣设计.:./.双涵道中介机匣轮毂端壁构型设计及仿真分析富裕雷雨冰(南京航空航天大学 能源与动力学院江苏 南京)摘 要:针对径向落差比/为.的双涵道中介机匣通道内二次流损失的问题通过改变轮毂局部型面补偿支板带来面积堵塞的构型设计提高了流场的品质 结果表明:设计方案减小了通道内二次流带来的损失使中介机匣内涵道总压恢复系数提高到.内涵道总压损失系数降低了.关键词:双涵道中介机匣径向落差比轮毂端壁中图文类号:.文献标志码:文章编号:()():/.:引言中介机匣为高低压压气机之间的过渡段支板的存在给流道带来了额外的压力梯度使得支板/轮毂角区的流动更为复杂常规的设计方法无法解决角区分离等不利于流动性能的问题迫切地需要在压气机过渡段常规设计的基础上发展流动控制技术国内外针对双涵道中介机匣流动控制技术研究较少主要集中于单涵道中介机匣 等通过周向余弦函数和响应面近似模型来对中介机匣轮毂端壁进行非轴对称优化并对非轴对称方案进行了试验验证试验结果表明非轴对称优化方案降低了 的流动损失轮毂端壁的曲率对角区流动分离现象影响明显非轴对称端壁设计思路对解决角区流动分离是可行的 韩阳等针对径向落差比为.的中介机匣进行了非轴对称端壁设计方法研究与基准中介机匣相比优化后得到的设计方案总压损失下降了.分离损失减少了.等基于径向落差比为.的中介机匣进行了非轴对称端壁构型优化设计方法研究与基准中介机匣相比优化后得到的非轴对称端壁设计方案总压损失下降了.黄镜玮等基于压力场分布对大子午扩张涡轮进行了非轴对称端壁设计方法研究通过非轴对称造型降低了流动损失和热负荷 郑金等针对压气机静叶栅进行了非轴对称端壁设计方法的研究有效地控制和延迟了二次流损失减小了总压损失 郎进花等研究了非轴对称端壁对离心压气机性能的影响研究表明非轴对称端壁使得通道低能流体减少改善了扩压通道内的流动状况进而推迟喘振的发生本文针对一典型双涵道中介机匣进行研究尝试通过改变内涵道轮毂壁面型面的方法达到减少通道流动损失的目的 几何模型与数值计算方法.几何模型介绍本文选取的双涵道中介机匣如图 所示包含轮毂、机匣、分流环和承力支板 本文的双涵道中介机匣周向均匀布置 个支板计算域选择/周期 计算域的内侧壁面为轮毂壁面 计算域的外侧为机匣壁面 分流环的上壁面为 壁面分流环的下壁面为 两侧为计算域的周期面 流体域中心截面为 信息技术富裕等双涵道中介机匣轮毂端壁构型设计及仿真分析S-midSplitter-upSplitter-downS-periodHubCasing wall图 双涵道中介机匣计算模型双涵道中介机匣的无量纲参数如表 所示 其中/为内涵道进出口半径落差为进口流道高度为通道进口中心半径 为中介机匣轴向长度、分别为内涵道出口面积和进口流道面积、分别为支板的最大厚度和支板弦长为内涵道出口高度为外涵道出口高度 在数值计算中考虑到附面层的充分发展上游延伸 下游延伸 表 双涵道中介机匣无量纲几何参数介绍无量纲参数数值/./././././.为了方便分析基于双涵道中介机匣模型的几何结构特点进行特征截面的划分示意图如图 所示 计算域的进口截面为 计算域的内、外涵出口截面分别为和 中介机匣的进出口截面分别为()、()特征截面 为支板前缘特征截面为支板最大厚度特征截面为分流环前缘特征截面为支板尾缘特征截面inletS1S2S3S4S5S6(S-outlet)(S-inlet)outlet-upoutlet-downxy图 双涵道中介机匣二维模型特征截面示意图.数值计算方法在数值计算过程中使用专业网格划分器 进行网格划分 在双涵道中介机匣三维网格划分中由于双涵道中多出了分流环的结构比单涵道中介机匣网格划分的拓扑结构更为复杂 考虑到流道壁面附面层的影响且满足壁面函数和计算精度的要求对壁面附件进行加密处理 不同的湍流模型对模型的第一层网格高度要求也不同本文选取 湍流模型使得近壁面区域的约为 左右 第一层网格高度给定.比率给定.由于支板和分流环附近的流动极为复杂为了保证网格的正交性分流环附件采用 形网格支板附近采用 形网格进行 在保证网格质量和计算要求的基础上调整网格结点最终计算域的网格量为 万如图 所示图 双涵道中介机匣三维网格划分 设计方法与设计方案.设计方法)中介机匣中支板前缘的滞止作用和曲率的双重作用改变了流道内的压力分布 因此对支板前缘轮毂壁面附近采用下陷的方式扩大通流面积减弱支板的滞止效应 对支板尾缘附近采用上凸的方式补偿支板最大厚度到支板尾缘的面积变化 因此支板前缘截面作为幅值变化最大的截面支板尾缘截面作为又一幅值变化最大的截面其幅值变化的程度可根据优化方法得到的结论进行尝试性设计)在中介机匣进口截面到支板最大厚度截面处均匀选取 条控制线在支板最大厚度处到中介机匣出口均匀选取 条控制线在周向取 个控制点需要在轴向幅值变化最大的位置上下游光滑过渡 周向曲线通过余弦函数(/周期)控制文献中提到中介机匣支板一侧静压系数呈现余弦式的分布规律国外等参数化优化设计方法中同样是采用余弦函数进行非轴对称的优化设计 因此基于中介机匣轮毂端壁垂直于主流方向的壁面压力分布特点周向端壁控制函数为()()()()式中:为流道径向坐标 为流道周向坐标 为中介机匣轴向坐标()为幅值变化函数)使用 曲线进行拟合最后通过曲线组拟合为光滑曲面.设计方案为了方便分析将原方案定义为 设计方案定义为 方案 在原方案的基础上进行内涵道轮毂壁面型面的设计 该设计方案支板前缘幅值为.支板尾缘幅值为.上下游进行平滑的过渡图 为控制线及设计型线示意图33S-inletS-outletL1L2L3L4L5L6L7L8L9L10L11L12L13L14L15S3图 控制线及设计方案示意图信息技术富裕等双涵道中介机匣轮毂端壁构型设计及仿真分析.三维流场计算结果设计方案采用与原方案相同的网格划分与数值计算方法且保证设计方案的进口马赫数和涵道比与原方案保持一致 首先对设计方案的总体性能参数进行分析如表 所示 内涵道总压恢复系数提高到.总压损失系数下降了.由于双涵道中介机匣内涵道的气动性能更为重要可知该设计方案在总体性能上有所提高下文对设计方案的具体流场进行分析表 总体性能参数对比方案总压恢复系数总压损失系数内涵道外涵道内涵道外涵道.首先对设计方案流动整体的特点进行分析图 为 壁面极限流线图图 为 壁面极限流线图 在原模型中介机匣通道中轮毂壁面未达到支板最大厚度处出现了旋涡即流动分离现象同时在支板后半部分也存在着一个旋涡 经过轮毂壁面的改型后轮毂壁面的旋涡中心点向下游移动且范围减小支板上的旋涡中心点径向高度也下降了 因此说明该设计方法在一定程度上减小了通道内的流动损失提高了中介机匣的流动性能图 壁面极限流线图图 壁面极限流线图然后针对设计模型特征截面分析轮毂壁面改型之后对流动特点的影响图 为各个周向特征截面流线云图背景为静压 由截面截面流线图可知流线皆由机匣壁面指向轮毂壁面截面附近存在较小的周向压力梯度使得流线有流向周期面的趋势截面为支板前缘截面由于支板的滞止效应存在较大的周向压力梯度流线明显偏向周期面截面到截面通道内流通面积变大流体经过支板最大厚度位置处(截面)附近时周向压力梯度不明显流线由机匣壁面指向轮毂壁面无偏离趋势 待流体经过分流环前缘截面(截面)时内涵道原方案在流向逆压力梯度和周期面指向中心面的周向压力梯度共同作用下在靠近轮毂壁面附近形成旋涡而经过轮毂壁面改型之后的方案在此位置并未形成旋涡减少了通道内的二次流损失外涵道流线图无明显的差异 流体继续流动由截面和截面流线图可知轮毂壁面经过改型后中介机匣出口(截面)截面的支板尾迹范围减小流动损失减小从而可知该设计方案提升了中介机匣通道内的流场品质(a)S1L74000OriCaseOriCaseOriCaseOriCaseOriCaseOriCase76000 78000 80000 82000 84000 86000 88000 90000 92000 94000 96000 98000(b)S2L(c)S3L(d)S4L(e)S5L(f)S6L图 和 方案特征截面静压及流线对比图如图 为 原方案出口截面总压云图图 为设计方案 出口截面总压云图 总体来看设计方案总压损失区域较原方案径向高度略低一些同时除了中心截面高损失区域的两侧附面层厚度减小 方案的低总压区域更大验证了上文中流动特点的分析740007600078000 80000820008400086000 88000900009200094000 9600098000 100000图 出口截面总压云图 图 出口截面总压云图 结语本文提炼并整理双涵道中介机匣轮毂壁面构型设计方法然后对设计结果采用 软件进行三维流场计(下转第 页)信息技术蒋维等高速磁浮车体结构设计及仿真分析)模态计算结果车体结构的模态是各阶固有频率和相应振型的总称是评价车体结构的一种重要指标与列车运行的安全性以及乘坐的舒适性有着密切联系 在列车的运行中如果车体的固有频率接近悬浮架的刚体振动频率那么将引起共振且磁悬浮轨道交通中悬浮模块与轨道的间距仅为几毫米对轨道的精度要求较高若发生共振将极大危害行车安全通过对车体进行自由模态分析且在计算选项中去掉前 阶频率为 的 个刚体振动模态 通常轮轨车辆为两点支撑为防止车体与转向架产生共振一般考察车体结构的一阶垂弯与一阶扭转频率 但磁浮车采用 点支撑当悬浮架产生点头运动时车体振型对应为 阶弯曲从计算结果可以看出车体的 阶垂弯频率为.如图 所示 可以判断出该车体的 阶弯曲频率已经大于 且悬浮架的点头运动为低频运动()因此车体结构的自振频率可以有效避开悬浮架的点头和侧滚频率&$POUPVS1MPU%JTQMBDFNFOU.BHOBMZTMTTZTUFN/PSFTVMU.BY&/PEF.JO&/PEFxzy图 高速磁浮车 阶垂弯频率图 结语本文分析了高速磁浮列车的受载特点完成了车体的结构设计然后对该车体进行仿真计算并依据综合考虑的载荷工况对仿真结构进行了强度和模态的分析 结果表明:所设计的车体结构既能达到高速磁悬浮列车轻量化的要求又能够满足高速磁悬浮列车服役期间内载荷工况下的静强度和刚度要求:未来还可以考虑对车体结构进行疲劳强度分析高速磁浮作为国内新型的轨道交通工具车体具有运行速度快、振动小、噪声低等特点 但车体结构较为特殊国内缺少相应设计技术规范及技术标准本文基于现有的标准设计出铝合金加三明治夹芯板的复合车体结构以期对未来高速磁浮交通的发展提供参考参考文献:徐飞罗世辉邓自刚.磁悬浮轨道交通关键技术及全速度域应用研究.铁道学报():.邓自刚李海涛.高温超导磁悬浮车研究进展.中国材料进展():.庞富恒魏厥灵闫晓言.我国中低速磁浮交通发展综述.人民公交():.佟来生.长沙磁浮快线列车概述.电力机车与城轨车辆():.孙玉玲秦阿宁董璐.全球磁浮交通发展态势、前景展望及对中国的建议.世界科技研究与发展():.沈志云.高速磁浮列车对轨道的动力作用及其与轮轨高速铁路的比较.交通运输工程学报():.吴祥明.磁浮列车.上海:上海科学技术出版社:.赖纳沙赫彼得耶勒勒内瑙曼(德).高速磁浮与高速轮轨交通系统比较.北京:中国科学技术出版社./:.:.磁浮铁路技术标准(试行).:.张学山.中低速磁浮车辆车体结构研究.铁道车辆():.肖守讷沈安林阳光武.中低速磁悬浮车体的结构特点及其分析.中国科技论文在线():.杨明杨燕荣.磁悬浮列车车体结构静强度计算及结构优化.机车车辆工艺():.收稿日期:(上接第 页)算根据计算结果本文设计方案减小了通道内二次流带来的损失并使得中介机匣内涵道总压恢复系数提高到.内涵道总压损失系数降低了.参考文献:.():.韩阳 李家军 辛亚楠.大径向落差长度比中介机匣非轴对称端壁造型方法数值模拟研究.大连:中国航天第三专业信息网第三十八届技术交流会暨第二届空天动力联合会议论文集 发动机内流气动技术.():.黄镜玮孟福生宋义康等.基于压力场分布的大子午扩张涡轮非轴对称端壁造型方法.航空动力学报():.郑金李国君李军等.一种新非轴对称端壁成型方法的数值研究.航空动力学报():.郎进花楚武利张皓光等.非对称端壁造型对离心压气机性能的影响.推进技术():.收稿日期: