● 摘要
近年来，随着计算机技术的迅速发展和CFD 技术的日益成熟，三维粘性定常数值模拟程序已成为现代压气机设计的核心程序，但目前多级压气机的定常计算结果还难以达到指导多级压气机设计的要求，特别是在非设计点、非设计转速的特性计算上，以及级间参数计算的可靠性上亟待提高。导致这一现象的主要原因有两个：一是所采用的掺混面法忽略了动叶和静叶间的非定常相互作用（即转静干涉）；二是湍流模型及其在压气机数值模拟中的应用问题。本文对这两方面问题进行了研究，旨在进一步提高多级压气机定常数值模拟的精度，同时力求计算耗费小，具体包括以下几个方面的内容： 一、在Denton 程序基础上，基于Adamczyk 的通道平均方程思想，在Rhie 的连续界面法框架下发展了可以考虑转静干涉效应的时均流动数值模拟程序，为开展多级压气机时均流动模拟方法研究提供了平台。通过对程序的计算网格、控制方程组的时间/空间离散、定解条件以及加速收敛技术等数值方法的改进，进一步提高了程序的准确性、收敛性和适用性。 二、校验了工程上常用的六个湍流模型对压气机转子内部复杂流动结构模拟的准确性。通过与转子尖区流动典型的大尺度旋涡结构——泄漏涡和角区旋涡的SPIV 详细测量结果的对比，对比分析了六个湍流模型预测转子尖区复杂流动的能力；并结合计算和试验结果，对转子尖区流动进行了进一步的分析。 三、为了提高Denton 程序对跨音压气机特性和内部复杂流动模拟的准确性，在程序中添加了SA 湍流模型。采取了一些有效措施，保留了Denton 程序计算快的特点，相比混和长度模型，CPU 时间仅增加约28%。校验结果表明，这一改进有效提高了程序对跨音压气机特性和关键参数沿径向分布的计算准确性。 四、分析了压气机中确定性相关项的周向和轴向分布特点，以及交界面处“空间代时间”建模方法的精度；着重研究了下游叶排进口参数周向分布、确定性相关项的周向分布、确定性相关项中的确定性应力和确定性总焓通量对时均流场的影响，为确定性相关项的建模提供了指导方向。 五、提出了一种新的转静交界面处理方法，解决了时均方程方法中耦合确定性相关项时遇到的交界面处理难题。通过添加压力通量守恒的限制，大大减小了交界面处理方式引入的误差，可以得到与非定常时均基本一致的结果，从而为通道平均方程方法的实际应用创造了条件。 六、提出了工程实用的确定性相关项指数衰减模型，该模型适用范围广、计算耗费小及具有较高的精度。NASA67 跨音风扇第一级和某高压压气机前两级的校验结果表明，该方法有效地提高了多级压气机总特性和级间参数的计算精度；计算时间仅比定常掺混面方法增加不到1%。