叶顶间隙对高速转子流场影响的数值研究毕业论文.doc

叶顶间隙对高速转子流场影响的数值研究毕业论文目 录第1章 绪论11.1 研究背景及意义11.2 国内外研究现状11.2.1 国内研究现状11.2.2 国外研究现状21.2.3 发展趋势31.3 NUMECA软件介绍41.4 本文研究方案51.5 主要研究内容5第2章 建模及网格划分72.1 NASA转子3772.2 网格的划分8第3章 数值计算和边界条件设定123.1 控制方程及湍流模型123.2 边界条件设定及初始解153.2.1 边界条件153.2.2 初始条件183.3 收敛准则19第4章 计算结果分析214.1 叶顶间隙取值214.2 计算结果分析21第5章 总结与展望405.1 总结405.2 展望40参考文献41致谢43浙江理工大学本科毕业论文1第1章 绪论1.1 研究背景及意义压缩机动叶的顶端存在叶顶间隙。由于叶片吸入侧（SS）和压力侧（PS）之间存在压力差，因而在该间隙处会产生从PS到SS的流体流动。因为这种流动十分复杂，并对压缩机的性能和稳定性存在巨大的影响。对这种流动的研究一直都是压缩机流动研究领域的热门话题之一。在实验和研究手段日趋发展的今天，压 缩 机定常非定常流场的研究仍面临着一些理论及实验测量的困难，因而数值模拟成为了一种普 适性的方法。它不 仅避免了实验测量产生的 误差，还能节省高昂的实验经费开 支，并详细清 楚 地显示了压缩机流场的复 杂变化情况，为压缩机定常非定 常流动 研究提供了充分的数 据支持。1.2 国内外研究现状作为压缩机动叶顶端的主要流动，叶顶间隙 流动与压缩机的性能和稳定性紧密相连，自20世纪50年代以 来就一直备受相关科研人员的密切关注。1.2.1 国内研究现状早些年就有很多人进行过压缩机叶顶间隙流动动的研 究。而近几年，随信息技术和计算手段的不断 发展，国内有越来越多的科研人员投入到了该领域的研究中，并取得了不少备受瞩目的成果。为了研究叶顶间隙对压缩机性能影响，刘长 胜等人 对两个 不同 半开式离心压缩机叶轮不同叶顶间隙条件下的三维粘性流场进行了 分析 。其分 析结果显示，流动效率及压比随间隙大小的减小而增大，对压缩机 的性 能有巨大的影响1 。马文 生等人的相关研究结果则表明，由于叶 片压力侧和吸入侧存在压差，流体穿过叶 顶间隙形成泄露流动，并在通道内形成漩涡流动，与主流流体 相互影响从而导 致熵的增加，进而影响压缩机的效率2。高学林 和袁新利用双重时间 步法对某 含静叶气 封和动叶叶顶间隙的亚音速轴流压缩机中间 三排叶 片所在的 流道进行 建 模并进行 非定常数值模拟 ，得出非定常计算得出的效 率比定常计算高 1% 左右的 结论3。此外，他们还对该压缩机中间三排 叶片进行了定常 与非定常数值模拟，分析 在不 同的静叶气封间隙和动叶叶顶间隙组合 下压缩机的流动特性，也取得了一定的成果4。西北工业大学动力与能 源学院对轴流式压缩机 孤立转子实验台的内部流动进行了三 维数值模拟。其数值计算结果与 实验测量结果对比分析证明了程序能够准确地预测孤立转子的总性能和基 元性能5。此外，动叶顶端流动的特性如：其 造成的损失、泄漏涡的特性、间隙 流动的形式等，也有较大的进展。张燕峰针 、楚武利和吴艳辉对叶尖率先出现失速信号的一亚音速轴流压缩机转子作了数值模 拟。其结果表 明，不同间 隙 条件 下泄漏涡的运行特性与压 缩机的性能 及稳定性密切 相关 6。1.2.2 国外研究现状随着CFD软件及其他各类技 术 的发展 完善，许 多 国外的研究者也取 得不少 举世瞩目的成果。压缩机流动的性能及效率取决于通道流动部分 的能量损失。Rains提出无论实验研究或者 理论研究，深入了解叶顶 间隙流动就应该关注其引起的损失。同 时，他 还说压缩机效率高低的判断 应该 以叶 顶间隙 流引起的损失为依据7。随时代的变化，叶顶间隙流动的 测量也更加简单、精确。利用旋转 式五孔探针 Lakshminara- yana等人详细测量了以轴流压 缩机的转 子 叶片顶 端区 域。对26%的叶片高度处进行测量，测量数据解释 了叶片顶端区域流动的复杂性，其中包含了叶顶泄露流、叶片 尾迹和环壁边界层的干扰8。通过对小型高 速压缩机转子近机 匣处的流场 的数值模拟 研究，吴艳辉等人发现叶顶泄漏涡在 近失 速情况下的转子通道内发生破 碎。涡破碎导致低能流体在外壁处大量聚集，从而造 成了外壁 边界层严重堵塞。由于涡破碎的近 失速情况，叶顶间隙涡附近形成了一个低速区。当质量流量进一步 减少时，流体在该区域迅速积聚并向上游移去。同时，该区域会阻止来流通过压力侧，并推动叶顶泄露流从压 力侧涌入邻近的叶片通道。此外，还发现即使在近失速状态，叶顶泄露流也会对 吸入侧边界层的发展产生影响9。利用激光多普勒仪Mailach等人 对德雷斯顿低速压缩机第三级转子叶片叶栅的周期性非定常流场进行了研究。并对 转子叶片中截面及叶顶等几个展向进行讨论。此外，借助压力传感器还提供转子非定常流 场的相关信息。其中，叶片中截面的流场是通过取稳定极限附近的一个工作点和设 计工作点来观察叶栅的干扰过程。实验结果显示了转子叶尖间隙涡和定子 尾流对叶顶的流场的强大的周期性干扰作用10，11。Chunill等人对 动叶叶顶 间隙处的 漩 涡脱落及 其造成的旋转失速现象进行了研究12。Knzelmann等人则对多极轴流 式压缩 机的 定常非定常 研究进 行了综述13。此外Inoue和Kuroumaru利用 旋转式五孔探针技术对轴流式压缩机转子叶顶区域的流场进行 了详细测量。其切向，径向和轴向相对速度分量，以及停滞压力和静态压力，均有两个轴向 位置，一个在转子下游，另一个在转子后缘。测量范围包括了26%的叶片。这些数据体现出叶尖区域复杂流动，受到了环壁边界层，叶片尾迹和叶尖泄漏流的影响。泄漏射流 在叶尖间隙内具有极高的速度并会与主流快速混合，从而产生强烈的流动分离与剪切14。 1.2.3 发展趋势 作为目前领域内的前沿热点 研究领域之一，世界国家 一直没有 间 断过流体机械内部流动细节及流 动机理方面的试验研究 工作，同时，这是一项 巨大而 艰苦的工作，需要多方面合 作进行。目前， 非定常流动方面的 研究国内外学者已 经比较深 入。用于压气 机动静相干 非定常流场和管 道内横向射流 的研究的研究的粒子图像 速度场仪技 术（ PIV）；用于风机叶轮流场测试等研究的激光多 普 勒测速技 术（LD V）；）用于离心压缩机扩压器流场测试研究及湍流边界层的减阻控 制研究15的热线风速 仪技术（HWA。这些都是当前比较先进的流场测试分析技术。但是，目前仍存在一些问题有待进一步解决例如：计算所需的时间和计算资源；由于问题的复 杂性，关于结合动叶叶顶间隙和静叶气封的流动目前尚未有完整的介绍3。 此外，当前的计算 机水平（计算机内存和速度 ）在很 大程度 上限制了数 值模拟的进行。在流体 力学领域里，理论分析、实验研究和数值 模拟三者互 相 促进，任何一种 研究方法都不可偏废。但可以肯定是较理论分析和实验研究而言，数值模拟所占的比重将越来越大16。1.3 NUMECA软件介绍NUMECA是NUMECA公司的 软件FINE系列 软件，她 是目前国际上最优秀的软件，她采用了近几年研发出的最先进技术，因此，无论在计算速度、 计算精度、所需计算机内存、使用方便程度、界面友好程度等方面都优于其他软件（如：Fluent 和Star-CD等）。过去几年，FINE系列 软件被国际上普遍 认为是叶轮机械等内部流动模拟分析的首选软件。其CFD软件包包括分析软 件和设 计软件两大类。分析软件包 有 FINE/TURBO、FINE/AERO、和FINE/H EXA等，其中均包 括 前处理，求解器 和后处理三个部分。FINE/TURBO用于内部 流动，FINE/AERO用于 外 部绕流，FINE/HEX A可用内部或外部流动，但为非结构自 适应网格。本文主要采用FINE/TURBO进行分析计算。FINE/TURBO，可用于任何 可压或不可压、定 常或非定常、二维或 三维的粘性或无粘内部流动的数 值模拟。其中包括：FINE/TURBO：可用于任何可压或不可压、定常或非定常、二维或三维的粘性或无粘内部（其中包括任何叶轮机械:轴流或离心，风机，压缩机，泵，汽轮机，水轮机，船舶推进器，搅拌罐等。单级或多级，或整机，或任何其他内部流动：塔体，换热器，分离器，管道，涡壳，阀门，密封等）流动，和各种外部绕流（包括各种水下载运器，飞行器等）的数值模拟。其中包括：IGG：准自动网格生成器。可生成任何几何形状的多块结构网格。采用准自动的块化技术和模板技术。生成网格的速度及质量均远高于其它软件。是全球最优秀的结构化网格生成器之一。IGG/AUTOGRID：自动网格生成器。可自动生成任何叶轮机械（包括任何轴流，混流，离心机械，可带有顶部、根部间隙，可带有分流叶片，等）的H形，I形和HOH形网格。该软件已经被国际工业部门认为是用于叶轮机械(航空发动机，汽轮机，水轮机，船舶推进器，泵，压缩机等)最好、最方便及网格质量最好的网格生成软件。是生成导弹外部流场网格最优秀的软件。EURANUS：求解器。求解三维雷诺平均的NS方程。采用多重网格加速技术；全二阶精度的差分格式；基于MPI平台的并型处理；可求解任何二维、三维、定常/非定常、可压/不可压，单级或多级，或整个机器的粘性/无粘流动。可处理任何真实气体；有多中转/静子界面处理方法；自动冷却孔计算的模块；多级通流计算；自动初场计算；湿蒸汽机算；共额传热计算；两相流计算；空化等等。其多级（10级以上）求解性能良好。CFVIEW：功能强大的流动显示器。可做任何定性或定量的矢量标量的显示图。特别是可处理和制作适合于叶轮机械(航空发动机，汽轮机，水轮机，船舶推进器，泵，压缩机等)和带翼武器（导弹）的任何S1和S2面，及周向平均图。该软件已经被国际工业部门认为是用于叶轮机械(航空发动机，汽轮机，水轮机，船舶推进器，泵，压缩机等)和带翼武器最好的后处理软件。1.4 本文研究方案本课题是采用数值模拟的 方法对压缩机转子的内部流 场的定常进行模拟。运用CFD软件包FINE系列软件FINE/TURBO，对转子内部流场进行研究。具体步骤如下：使用IGGTM/AUTOGrid生成压缩机 转子的网格，采用结构网格，这种网格的生成质量较高，生成速度也较快。网格 质量的好坏，对于计算的精度、时间、收敛性等都有显著地影响。在FINETM/TURBO中创建压缩机内部流 场的定常计算，导入IGGTM/AUTOGrid中生成的网格，按照试验数据设定数值模拟的相关参数，开始数值模拟计算，改变计算中叶顶间隙的参数，重复以上步骤，得到不同间隙大小情况下的数据。分析计算所得结果 ，并使用CF ViewTM获得参数云图，比较分析叶顶间隙对压缩机流场的影响，并分析产生 影响的原因。 1.5 主要研究内容压缩机的动叶顶 端存在 叶顶 间隙。在叶顶间隙两 侧 的压差作用下，部分流体穿过叶顶间隙形成的间 隙 泄漏流， 它严重影 响了压缩机性能和稳定性。本课题就是在 定常条件下，对压气 机的叶顶间隙流动做数值模拟。利用NUMECA软件对NASA转子37定常条件 下不同间隙的叶顶间隙流动进行数值模拟，从而分析同间隙对转子性能的影响，并做比较。主要内容如下：压缩机转子的建模及其网 格的划分。采用IGGTM/Autogrid做前处理，主要是压缩机转子通道的网格生成。采用Autogrid网格 自动生成器，它能 快速，有效的生成二维、三维网格并保存。在FINETM/Turbo中，对压缩机转 子内部定常流场进行数值模拟。 使用CFView对数值模拟数据进行 后处理，将计 算所得数据以图表的形式显示出来，并将不同 间隙下的定常数 值模拟的数据进行比较，得出结论。第2章 建模及网格划分要对一个流场进行数值模拟，首先需对模 型网格划分，为了得到足够的计算精度，网格划分必须足 够细、节点数要足够多。本文 采用了IGG/AUTOGRID网格生成器，IGG/AUTOGRID应用准自动的块化技术和摸板技术，生成网格的 速度及质量均远高于其它软件。2.1 NASA转子37NASA转子37，即跨声速压 气机转子，其几何模型如图2-1所示。NASA转子37是1978年NASA Lewis研究 中心设计的低展弦比跨音速压缩机进口级（相关参数见表2-1）本文将对该转子进行数值模拟，对其 效率、压比、马赫数、静压、熵等做深入了解，分析叶顶间隙大小对以上参 数的影响，并探讨影响原因。图2-1 NASA转子37几何模型表2-1 NASA转子主要结构参数和设计参数参数数值转子叶片数36顶端稠度1.288展弦比1.19轮毂比0.7顶端间隙/mm0.356设计转速/(r/min)17188设计总压比2.106设计等熵效率0.889设计流量/(kg/s)20.192.2 网格的划分 使用IGGTM/AUTOGrid生成网格，采用H&I结构 型网格，设置通道展向61个网格，周向49个网格，叶片前缘至 后缘65个网格、进口延伸段29个网格、出口延伸段61个网格，其网格拓扑图如图2-2。图2-2 网格拓扑图根据理想网格质量的要求：多重网格的层数一般推荐I/J/K方向最小的 层数不小于2；最终生成的网格不能 存在负网格；原则上，最小正交性角度越 大越好，最大网格长宽 比越接近1越好，最 大网格延展比越接近于1越好。当实 际中，很难达到三者兼 得的网格质量。所以一般要求：最小网格正交性角度10；最大网格长宽比5000；最大网格延展比10。因网格质量不能满足要求，故采用H OH网 格对网格重 新进行划分，它的网格质量较H&I结构型网 格质量要好。其网格划分如图2-3，其网格质量检测结果及具体 细节如图2-4，2-5，2-6，2-7。图2-3 网格划分图2-4 网格质量检测图2-5 网格拓扑图图2-6 前缘网格图a. 叶根网格图b. 叶顶网格图图2-7 叶根，叶顶的网格图43第3章 数值计算和边界条件设定流场数值模拟 数学模型 包括 流体力学基本方程和用于理论研究的简化模型方程，它们是数值计算的理论基础。其 基本出发点：质量守恒，能量守恒和动量守恒定律。本文研究压缩机转子叶 顶间隙处 流场，其流体为空气，选用完全气体，其具体参数如图3-1所示。图3-1 工质3.1 控制方程及湍流模型Navier Stokes（纳维斯托克斯）方程 是流体力学中描述 粘性牛顿流体的方程，是目前为止尚未被完全解决的方程。它是从动量、质量、能量守恒的基本原理导出的，认为流体是连续的，且所有涉 及到的 场（密度、速度、压强、温度等）都是可微的。具体方程组如下：连续方程： （3-1）运动方程： （3-2）能量方程： （3-3）它可以转化 成守恒 形式在三维 直角坐标 系下，守恒型 方程组为： （3-4）其中Ev、Fv、Gv为 黏性流 项，E、F、G为无黏 流项。式3.4中的U、E、F、G等为五维矢量，表达式为ij（i，j=x，y，z）为 黏性应 力张量，e为内能，在直角坐标系下，表达式为： 由于方程组不封闭，还需补充数学关系式。第一， 状态方程：e=e(，T)。对于完全气体1有：第二， 物性系数与 状态参数 的关系式：k=k(，T)和=(，T)。基于层流流动，k和常采用Sutherland公式确定。目前工程实际中大都采用雷诺平均Navier-Stokes方程方法即RANS（Reynolds-Averaged Navier-Stokes）方法 进行流场计算。本文计算的流场为定常流场，也即公式(3-1)、(3-2)、(3-3)中的时间项在数值计算时为零。本 文采用了Baldwin-Lomax湍流模型对相对坐标 系下的三维雷诺平均Navier-Stokes方程(Re=7298000)进行 求解，采用显示四阶Runge-Kutta法 时间推进 法获得定常解。Baldwin-Lomax湍流模型具体计算方式如下：湍流黏性系数t表示为 （3-5）Ycross为内外层黏性系数计算公 式所计算 出的黏 性系数相同点所对应的y的最小值。 （3-6）其中： ， （3-7） （3-8）其中： （3-9） （3-10）Fmax为F(y) 最大值，对应于该值的y为ymax。 （3-11） （3-12）对于 附面 层流动， =0，所以有： A+=26，Ccp=1.6，Ckleb=0.3，Cwk=0.25，k=0.4，K=0.0168 （3-13）3.2 边界条件设定及初始解边界条件与初 始条件 设定 是控制 方 程有唯一解的前提 条件。初始条件是所研究对象在过程开始时刻 各个求解变量的 空间分布情 况，对于稳 态问题，可以不 用给 定，瞬态问题，则必须 给定初始条件。边界条件 是在求解 区 域的边界上所求解的变量或其导数随地点 和 时间的 变化规律。对于边界条件与 初始条件的处理，将 直接影 响计算结果的精度。.3.2.1 边界条件1 进口边界本文模拟的转子为亚音速流动，故边界条件给定为平均总压和总温，并认为气流方向为轴向进气，其总压为101325Pa，总温为288.2K具体如图3-2。图3-2 进口边界条件2 出口边界因为本文进口为亚音速流动，其出口 边界需给定平 均半径处的静压。如果局部变成超音速，则需根据前面来 流条件外推出口边界条件。本文为亚音速流动，故采用径向平衡方程计算沿径向的静压分布，其静压值为90000Pa ，半径为0.22m ，具体 如图3-3。图3-3 出口边界条件3 固壁边界本文设定固壁 边界 条件为绝热，叶片 转速为-17188r/min，叶 顶转 速为0，叶根转速也为-17188r/min，其他参数为Rmin=0.16m，Rmax=0.19m；Zmin=0.0015m，Zm ax=0.045m），具体如图3-4，3-5，3-6所示。图3-4 叶根处的边界条件图3-5 叶顶处的边界条件图3-6 叶片处的边界条件4 周期性条件无特殊要求采用默认设置。图3-7 周期性条件3.2.2 初始条件除了要在计算开始 之前初始化相关 的数据外，不需要其 他特殊处理。给定初始条件时要注意的 是：初始条件一定是物理上合理的；要针对所有计算变量，给定整个计算域内各单元的初始条件。本文做如图3-8处理。图3-8 初场设定3.3 收敛准则1 全局残差全局残差下降三个量级或以上，如图3-9图3-9 全局残差2 各块中残差由于各块中流动特性 以及 网格质量的不同，每一块中 残差的下 降幅度也会有所不同。但计算中每一块中的残差最好 都下降三个量级以上。3进出口流量收敛准则中最重要的 一个参数之一。建议相对误差要小于0.5%，且流量不再 改变，如图3-10。此外，如果有大分离涡（ 尤其时进出口处），流量收 敛曲 线会发生振荡，此时由于迭代中分离涡的位 置和 强度都会发 生变化（但这种变化近似于周期性）。在这种情况下，也可认为是计算收敛。 4 流场当地值计算迭代收 敛时，流场每一点处 的参数值不应当再发生变化，或者对于有分离涡情况，涡内某一点的参数应 当为周期性变化。该变 化可以在FINE界面中跟踪某一特性点进行观察。 5 总体参数 对于定常计算，所有的总 体性能（扭矩、效率、推力等）都应当为恒定值，不再随迭代步数而发生 变化。对于有大分 离的情况下，这些参数 会呈现周期性变化，这两种情况下也可以认为计 算收敛。图3-10 进出口质量流量随迭代步数变化图第4章 计算结果分析4.1 叶顶间隙取值本文以N ASA转子37为研究对象，对其不同叶顶间隙情况下的流场进行数值模拟，分析不同叶顶间隙情况下间 隙流动的特性，并研究 其对压缩机 性能及其他参数的影响。对叶顶间隙采用 弦长进行无量纲化处理，计 算式： 其中r为间隙大小(mm)，chord为弦长。所选取的间隙分 别为1%，1.5%，2%，2.5%，3%。动叶设计 转速为17188r/min。各间隙大小具体如表4-1，其中弦长为56.7mm。表4-1 叶顶间隙r*叶顶间隙r（m）1.0%0.0006 1.5%0.0009 2.0%0.0011 2.5%0.0014 3.0%0.0017 4.2 计算结果分析图4-1是不同间隙 下的 静压比变化情况。由图可知，随 着间隙的 增大，叶片静 压比下降。P2/P1(-)图4-1静压比间隙图效率是评判压缩机性能高低 的重要指 标。图4-2,4-3分别 给出了等熵效率、 多变效率与间隙 大小的关系。多变效率和 等熵效率的计算公式如下： 其中：Pt1、Tt1进口总压、进口总温；Pt2、Tt2出口总压、出口总温；比热比由图可知，当间隙不 断增大时，等熵效率与 多变效率均呈现 下降趋势；即叶 顶间隙大小会影响压缩机 性能。表4-2是不同 间隙下，计算得到的压比 与进出口质量流量的 总结。图4-4 给 出了是压比与质量流量之间的关系图。 由表4-2中数据及图4-4可知，在不 同间隙 下，当进口总压不变时，压比增 大，进出口流 量也增大。（-）图4-2 等熵效率间隙图（-）图4-3 多变效率间隙图表4-2 压比与进出口质量流量r*间隙（mm）静压比进口质量流(kg/s)出口质量流(kg/s)平均质量流(kg/s)1.0%0.0006 1.05920.58 20.24 20.41 1.5%0.0009 1.05720.50 20.16 20.33 2.0%0.0011 1.05020.18 19.85 20.02 2.5%0.0014 1.04219.78 19.48 19.63 3.0%0.0017 1.04819.64 19.34 19.49 P2/P1(-)图4-4 压比平均质量流量关系图为分析不同间隙对压缩机 的影响，以下给出了96.67%叶高处不 同叶顶间隙条件下，叶片马赫数、静压及熵的分布图，详见图4-5、4-6、4-7。以下对这些图 做简要的分析：图4-5为96.67%叶高处的 各间隙（1%，1.5%，2%，2.5%，3%）马赫数分 布图。由图可见，随着叶顶间 隙的 增大，激波 强 度增大，尤其是激波间断面的左侧马赫数随之增加。此外，叶顶间 隙增 大的同 时，激波间 断面的 位置发生变化，尤其叶片吸入侧 较为明显，且向叶 片前缘处移动。图4-6为96.67%叶 高 处的 各 间隙（1%，1.5%，2%，2.5%，3%）静压分布 图。结合图4-5可见，在激波间 断面的 左侧，不同间隙 下的马赫数随间 隙 值的增大而增大，静压值也增大；在激波间断面 的右侧，不同间隙下的 马赫数 随间隙 值的增大而减小，静压值也减小。图4-7为96.67%叶高 处 的各间隙（1%，1.5%，2%，2.5%，3%）熵分布 图。由图可见，在激 波间断 面处，熵增 加的程 度随间隙值的增加而 变大。同时，最大熵位置 发生变化，并向叶片 前缘 移动。a) 1% 叶顶间隙处马赫数分布图b) 1.5% 叶顶间隙处马赫数分布图c) 2% 叶顶间隙处马赫数分布图d) 2.5% 叶顶间隙处马赫数分布图e) 3% 叶顶间隙处马赫数分布图图4-5 96.67%叶高处的各叶顶间隙处马赫数分布图a) 1% 叶顶间隙处静压分布图b) 1.5% 叶顶间隙处静压分布图c) 2% 叶顶间隙处静压分布图d) 2.5%叶顶间隙处静压分布图e) 3% 叶顶间隙处静压分布图图4-6 96.67%叶高处的各叶顶间隙处静压分布图（Pa）a) 1% 叶顶间隙处等熵分布图b) 1.5% 叶顶间隙处等熵分布图c) 2% 叶顶间隙处等熵分布图d) 2.5% 叶顶间隙处等熵分布图e) 3% 叶顶间隙处等熵分布图图4-7 96.67%叶高处的各叶顶间隙处熵分布图（J/K）图4-8、4-9、4-10为50%叶高处的叶 片马赫数、静压及熵 的分布图。由图可知，在50%叶高处各间隙的激波间 断面的位置变化不太明显。观察图4-8 ，可见随着叶顶间隙的增大，相同位置处叶 片的马赫数减 小。图4-9中，而随着间隙值的增大静压减小。在图4-10中，观察三个间隙 ，发现最大熵均出 现在叶片的尾缘附近，即中间截面的损失主要出现在叶片尾缘 附近。结合上图4-5、4-6、4-7，96.67%叶高处的损失高于50%叶高处的损失，这说明叶中 截面处的流场分 布受叶顶间隙的影响 不明显，而近叶尖截面（96.67%）处叶顶间隙的影响很明显，在近叶尖截面处，熵损主要是由间隙存在所形成的间隙 涡造成的。 而在图4-10中，3%间隙处的最大熵小 于1%间隙，且由图4-2、4-3的效率间隙线图可知，3%间隙处 的效率最小，这可能是由于该间隙处50%叶高处的损失为非 主要损失。结合图4-8、 5、6推测50%叶高处的损失主要为激波引起的损失。对比 图4-5、4-6、4-7，96.67%叶高处可能出现流动分离，形成漩涡，造成损失，故推 测其损失主要为间隙涡损失。a) 1% 叶顶间隙处马赫数分布图b) 1.5% 叶顶间隙处马赫数分布图c) 2% 叶顶间隙处马赫数分布图d) 2.5% 叶顶间隙处马赫数分布图e) 3% 叶顶间隙处马赫数分布图图4-8 50%叶高处各间隙马赫数图a) 1% 叶顶间隙处静压分布图b) 1.5% 叶顶间隙处静压分布图c) 2% 叶顶间隙处静压分布图d) 2.5% 叶顶间隙处静压分布图e) 3% 叶顶间隙处静压分布图图4-9：50%叶高处各间隙的静压图（Pa）a) 1% 叶顶间隙处等熵分布图b) 1.5% 叶顶间隙处等熵分布图c) 2% 叶顶间隙处等熵分布图d) 2.5% 叶顶间隙处等熵分布图e) 3% 叶顶间隙处等熵分布图图4-10：50%叶高处的各间隙的熵图（J/K）第5章 总结与展望5.1 总结本文采用数值模拟方法对N ASA转子37不同间隙 处流场进行了计算。采用NUMECA软件对该转子进行 建模、网格划分、数值计算及 数据的后处理。研究发现，转子叶顶间隙 大小的改变影响压气 机的性能，具体结 论如下：（1） 当转子间隙 增大时，转子叶片 的压比及压缩机的效率均呈下降的趋势。（2） 不同间 隙时，50%叶高处， 最大熵区域都出现在叶片的尾缘附近。叶顶间隙对 中间截 面流场影响不明显。（3） 在96.67% 叶高处，随着叶顶 间隙的增大，最大熵区域向叶片前缘移动。此外，随叶顶间 隙的变化，激波的强 度和位置会发生改变。5.2 展望由于 时间、知识掌握程度及其 他方面的因素，本文只对转子叶 顶间隙大小对压缩机性能的影响进行 研究，初步分析了 产生该影响的原因。本文的计算限于 定常计算，若要深入研究压气 机的间隙流场，需 要在此基础上进 行非定常流场的数值模拟。参考文献1 刘长胜，刘瑞涛，秦国良，等叶顶间隙对叶轮性能影响的数值分析J风机技术，2003，(1)：792 马文生，顾春伟叶顶间隙对压缩机性能的影响J动力工程，2007，27(6)：8638673 高学林，袁新多级轴流压缩机间隙流动数值模拟（II）非定常流动分析C中国工程热物理学会热机气动热力学第十一届学术会议，2005：6216254 高学林，袁新多级轴流压缩机间隙流动数值模拟J工程热物理学报，2006，27(3)：3953985 吴艳辉，楚武利，刘志伟轴流压缩机转子性能及间隙流动研究J西北工业大学学报，2005，23(6)：7377416 吴艳辉，楚武利，张燕峰间隙大小对压缩机转子间隙泄漏流场的影响J西北工业大学学报，2007，25(6)：8388427 Rains D A. Tip Clearance Flows in Axial Flow Compressors and PumpsM. Hydromechanics and Mechanical Engineering Laboratories，California Institute of Technology Report No.5，19548 Lakshminarayana B，Zaccaria M，Marathe B. The Structure of Tip Clearance Flow in Axial CompressorsJ. J.Tubomach，1995，117：369 Wu Y H，Chu W L，Lu X G，et al. Behavior of Tip Leakage Flow in an Axial Flow Compressor RotorC. ASME Turbo Ex