针对传统超临界二氧化碳(S-CO2)透平设计方法精准度差、设计及优化周期长的问题,基于一元流动理论建立了快速的S-CO2向心透平热力设计方法,结合高精度的三维气动分析方法,提出了一种基于Gauss过程回归的设计-优化方法,利用热力设计以及Gauss过程回归预估透平气动设计的真实效率,并在模拟退火过程中检验设计结果的有效性,通过S-CO2透平的设计及优化算例证明了该方法的高效性。结果表明:透平等熵效率从初始设计方案的83.68%提升至最优设计方案的91.20%,对于传统的气动设计及模拟退火方法需要120次的气动分析,而该方法仅需24次气动分析,大幅缩短了设计-优化时间,具有较高的工程实用价值。

为研究大型风力机的主动降载控制方法,以NREL 5 MW参考风力机为研究对象,建立了具有尾缘襟翼的智能叶片风力机非定常气动模型,并分析其非定常气动性能。基于x-LMS分别对桨距角和尾缘襟翼角进行控制,提出将二者结合的复合主动降载控制方法,并分析了在不同风况下所提控制方法的控制效果。结果表明:所建模型可有效模拟出智能叶片风力机的非定常气动性能;所提控制方法可同时抑制高频与低频叶根挥舞弯矩波动,并显著降低叶片疲劳载荷,有利于风力机的稳定运行。

以带有尾缘襟翼的NREL 5 MW参考风力机为研究对象,综合考虑非定常气动力、气动阻尼和弯扭耦合等因素,建立了改进的智能叶片气弹模型,并与FAST平台进行仿真对比。基于径向基函数(RBF)神经网络自适应比例、积分、微分(PID)方法设计了尾缘襟翼主动控制器,在标准湍流风况下对叶尖偏移量进行仿真控制。结果表明:改进气弹模型的准确度较高;尾缘襟翼主动控制方法可有效减小叶尖偏移量的波动。

为得到具有高气动性能、低噪声水平的风力机专用翼型,基于参数化非对称钝尾缘翼型,研究了尾缘厚度及其分配比对风力机翼型气动性能及气动噪声的影响。采用分离涡模拟方法和声学类比方程建立了噪声预测方法,针对改型翼型进行样条函数参数化处理,并计算其气动噪声。结果表明:随着尾缘厚度的增加,改型翼型的升力系数和升阻比均大于原始翼型,气动性能得到明显改善;钝尾缘翼型会导致气动噪声增加,当尾缘厚度为1.5%c、尾缘厚度分配比为1∶3时,翼型气动噪声增幅较小。

运用数值模拟研究进口干度对超临界二氧化碳压缩机气动性能的影响,着重对比分析了不同进口干度时叶顶间隙流动的形态特征。结果表明随着进口干度减小,超临界二氧化碳压缩机的最高效率点对应的流量增大,效率峰值升高,压比增大,喘振裕度增大;在设计流量及小流量工况时,效率随进口干度的减小而降低;在大流量工况时,效率随进口干度的减小而升高;当叶顶间隙为进口叶高的5%时,在相同工况下,进口干度越小,叶顶泄漏流越强,易形成“二次泄漏”。

基于大涡模拟对采用不同跨度齿形襟翼(TGF)的动叶可调轴流风机进行了数值研究,探讨了襟翼及其跨度对风机性能、气动噪声和静压分布的影响,分析了噪声与涡结构分布的内在联系。结果表明齿形襟翼可显著提高风机全压,且全压增幅与襟翼跨度成正比,襟翼跨度为0.9时的全压提高1 409 Pa;采用齿形襟翼后的风机降噪量随襟翼跨度的减小而增大,襟翼跨度为0.7时的降噪量达18.33 dB;齿形襟翼削弱了叶片尾迹强度,改善了叶根泡状涡尺寸,在襟翼顶部形成一较长管状涡,减弱了尾涡与叶顶泄漏流的相互作用;襟翼跨度越小,改善成效、降噪效果越显著;襟翼跨度为0.9时的齿形襟翼在改善全压、拓宽高效区和降噪等方面的综合性能最优,且在变安装角工况下可有效提升风机全压、改善大流量侧效率。

针对100 kW氢燃料电池堆需求,开展了两级串联离心式空气压缩机的气动设计。根据轴向力、比转速和叶轮尺寸等确定两级叶轮的压比分配,通过中部加载叶型设计减小叶轮进出口流动损失,通过叶片前倾设计降低高压级叶轮前缘的气动载荷、减小叶尖泄漏损失。对空气压缩机进行了三维流动数值仿真分析。结果表明空气压缩机内部流动情况良好;在设计转速、质量流量为130 g/s时,整机压比达到2.82,气动效率达到77.5%,性能可以满足100 kW氢燃料电池堆的使用需求。

采用数值模拟方法研究了运动表面长度l、速度比k、凹槽深度h和运动表面的无量纲位置s对带局部运动表面的NACA0012翼型动态失速特性的影响,在相同工况下对比了带表面射流与运动表面边界层控制方法(MSBC)对动态失速的控制效果。结果表明采用运动表面边界层控制方法能够明显改善翼型的动态失速特性;在最优参数组合(s=0.4、l=0.4、k=1和h=0.25 mm)下MSBC翼型的等效升阻比较原始翼型增大了57.10%;当耗能系数较低时,与带表面射流的翼型相比,采用MSBC翼型可以通过较少的局部能量输入,就能达到提高翼型气动效率的目的。

为了探究仿生叶片对离心风机气动性能、流场和声场的影响,将波形前缘、锯齿尾缘和表面凹坑3种仿生结构应用在离心风机叶片上,并对其流动和噪声辐射进行了数值计算。结果表明表面凹坑结构抑制了叶片吸力面上的分离流,提升了离心风机的全压和效率,但蜗壳壁面附近的压力脉动幅值增大,最终使噪声不降反增0.85dB;锯齿尾缘型风机虽然做功能力下降,但依然保持高效率,叶轮内流动状况改善,压力脉动明显削弱,总声压级平均下降5.04dB;波形前缘型风机气动性能与原型相比略有提升但相差不大,整体降噪3.14dB。

为研究进口预旋对迷宫齿磨损形态下密封非定常气流激振转子动力特性系数的影响,采用基于转子多频椭圆涡动模型的URANS方程求解方法,计算分析了2种进口预旋比下未磨损结构、未弯曲磨损结构和部分弯曲磨损结构下密封泄漏质量流量、气流平均周向速度和转子动力特性系数的变化。结果表明:在2种进口预旋比下,增加磨损间隙和迷宫齿弯曲均会使密封泄漏质量流量增大;当进口预旋比为0时,密封泄漏质量流量增大使得转子周向拖动作用降低,腔室内气流平均周向速度减小,进而导致与转子涡动方向相反的负切向气流激振力减小,密封转子稳定性降低;当进口预旋比为0.45时,气流平均周向速度不受迷宫齿磨损结构的影响,因此迷宫齿磨损后腔室内周向动量增大,进而与转子涡动方向相同的正切向气流激振力增大,密封转子稳定性降低。