哈工大讲课流体机械学科中科学问题与发展

1、 流体机械学科中科学问题与发展流体机械学科中科学问题与发展上海交通大学叶轮机研究所上海交通大学叶轮机研究所谷传纲教授谷传纲教授20082008年年8 8月月2 2日日 按我国分类，流体机械是按我国分类，流体机械是动力工程及工程热物理动力工程及工程热物理一一级学科下的二级学科。按美国级学科下的二级学科。按美国ASME关于转动机械分为二关于转动机械分为二类：类：Power Mech. Eng., Fluids Mech. Eng. 按功能转换分类：动力机械按功能转换分类：动力机械能转换为机械功能转换为机械功 流体机械流体机械机械功转换为能机械功转换为能 流体机械主要包含：压缩机、鼓风机、通风机、水

2、泵、流体机械主要包含：压缩机、鼓风机、通风机、水泵、 水轮机及工程系统。是军工、石化、钢铁、冶金、发电、水轮机及工程系统。是军工、石化、钢铁、冶金、发电、空调、制冷等行业中最关键的旋转机械，其工作的高效性空调、制冷等行业中最关键的旋转机械，其工作的高效性、可靠性与安全性，直接关系到企业的效益、可靠性与安全性，直接关系到企业的效益 。 引言引言 流体机械学科的理论基础为叶轮机械气动热力学、流流体机械学科的理论基础为叶轮机械气动热力学、流体力学、气体动力学、工质热物性、优化设计理论、强度体力学、气体动力学、工质热物性、优化设计理论、强度与转子动力学、轴承理论、监测与控制、密封技术、现代与转子动力学

3、、轴承理论、监测与控制、密封技术、现代测量技术等学科的交叉。测量技术等学科的交叉。 由于叶轮机械技术涉及军工、航空、航天、国家重大由于叶轮机械技术涉及军工、航空、航天、国家重大装备如炼油、化肥、化纤、乙烯、发电领域，是一个国家装备如炼油、化肥、化纤、乙烯、发电领域，是一个国家整体技术实力的反映，一直受到各国政府、企业、科研院整体技术实力的反映，一直受到各国政府、企业、科研院校的极大重视。校的极大重视。一一 学科的概况学科的概况流体机械分类流体机械分类从应用领域分：从应用领域分： 供能：汽轮机、燃气轮机、水轮机供能：汽轮机、燃气轮机、水轮机 耗能：压缩机、风机、水泵、油泵耗能：压缩机、风机、水泵

4、、油泵 能量回收：轴流、离心，热泵能量回收：轴流、离心，热泵, ,增压器增压器从工作原理分：从工作原理分：轴流式：大流量、低压力轴流式：大流量、低压力离心式：小流量、高压力离心式：小流量、高压力容积式容积式：( (齿轮、罗兹、螺杆、回转、往复齿轮、罗兹、螺杆、回转、往复) ) 更小流量、更高压力。更小流量、更高压力。叶轮机械叶轮机械透平机透平机压缩机压缩机离心式离心式轴流式轴流式大流量、低压头大流量、低压头中小流量、高压头中小流量、高压头国家重大装备国家重大装备中的关键转动中的关键转动设备之一，如设备之一，如大型石化企业大型石化企业年产值在几十年产值在几十亿至几百亿以亿至几百亿以上，压缩机是上

5、，压缩机是关键设备之一关键设备之一。机组的高效。机组的高效性与可靠性是性与可靠性是非常重要的。非常重要的。叶轮机分类叶轮机分类流体机械在工业界应用流体机械在工业界应用石化行业：离心压缩机，少量空气轴流压缩机石化行业：离心压缩机，少量空气轴流压缩机, ,往复式压往复式压缩机，能量回收透平缩机，能量回收透平电力行业：轴流与离心通风机，水泵、油泵，水轮机电力行业：轴流与离心通风机，水泵、油泵，水轮机钢铁、冶金、水泥、车辆、交通、采矿行业：压缩机、风钢铁、冶金、水泥、车辆、交通、采矿行业：压缩机、风机、水泵、油泵机、水泵、油泵制药、发酵、酒精行业：压缩机、风机、水泵制药、发酵、酒精行业：压缩机、风机、

6、水泵环保行业：污水处理曝气风机、带气水泵、脱硫用风机环保行业：污水处理曝气风机、带气水泵、脱硫用风机制冷、空调行业：批量空调风机，隧道风机，制冷压缩机制冷、空调行业：批量空调风机，隧道风机，制冷压缩机南水北调、西气东输：天然气压缩机、水泵南水北调、西气东输：天然气压缩机、水泵燃气轮机中：轴流与离心压缩机燃气轮机中：轴流与离心压缩机燃气与气体行业：轴流与离心压缩机燃气与气体行业：轴流与离心压缩机风力发电、潮汐发电、海水淡化风力发电、潮汐发电、海水淡化( (热泵、渗透膜热泵、渗透膜) )行业特点：行业特点：规模量大面广规模量大面广叶轮式压缩机与透平的应用叶轮式压缩机与透平的应用1)1)固定式固定式

7、( (民用压缩机、透平、通风机、水轮机、水泵民用压缩机、透平、通风机、水轮机、水泵) ) 炼油工业：炼化、加氢，采油用压缩机炼油工业：炼化、加氢，采油用压缩机 达达1000 ata1000 ata 化工过程：获得高温、高压：化工过程：获得高温、高压：co2 co2 压缩机压缩机 达几百达几百ataata 矿山、冶金、钢铁：空分装置、能量回收透平矿山、冶金、钢铁：空分装置、能量回收透平TRTTRT、氧压机，、氧压机， 烧结风机烧结风机 发电用燃机、汽轮机、水轮机、通风机、水泵发电用燃机、汽轮机、水轮机、通风机、水泵 空调与通风、干燥、净化、湿化系统用压缩机、通风机空调与通风、干燥、净化、湿化系统

8、用压缩机、通风机2)2)移动式移动式( (军用军用) ) 离心压缩机离心压缩机+ +向心透平向心透平 轴流、离心压缩机轴流、离心压缩机+ +向心透平向心透平( (轴流透平轴流透平) ) 轴流压缩机轴流压缩机+ +轴流透平轴流透平 喷水推进，气垫船的气垫与动力喷水推进，气垫船的气垫与动力流体机械国内外技术发展方向流体机械国内外技术发展方向先进的气动力学、水动力学设计理论与优化方法：先进的气动力学、水动力学设计理论与优化方法： 基于模型级的整机优化基于模型级的整机优化, , 直接优化设计直接优化设计强度与转子动力学设计强度与转子动力学设计气固、液固耦合设计气固、液固耦合设计先进制造技术：五座标铣床

9、、真空焊接、动平衡，轴承与密封先进制造技术：五座标铣床、真空焊接、动平衡，轴承与密封监测与控制系统监测与控制系统高速化、小型化、高压比、小流量高速化、小型化、高压比、小流量流体机械设计技术与发展流体机械设计技术与发展从一维、二维到三维流场计算从一维、二维到三维流场计算从定常设计到非定常设计从定常设计到非定常设计从以经验与实验数据为基础的设计方法到三多设计从以经验与实验数据为基础的设计方法到三多设计( (多多设计工况、多约束条件、多目标函数设计工况、多约束条件、多目标函数) )与二非与二非( (非定常非定常流与非稳定流动流与非稳定流动) )设计设计非定常流动引起轴系振动与气固、流固耦合分析等非定

10、常流动引起轴系振动与气固、流固耦合分析等叶轮式机械持续发展的因素叶轮式机械持续发展的因素 1 1基础理论方面：叶轮机气动力学，基础理论方面：叶轮机气动力学，N-S方程、紊流目前仍处于无解的状态。方程、紊流目前仍处于无解的状态。CFD软件是在雷诺时均方程基础上发展，有很大的缺陷。其根本的问题软件是在雷诺时均方程基础上发展，有很大的缺陷。其根本的问题是建立在表象法上，并非从物理上寻找本质的东西，其次是数据过多，是建立在表象法上，并非从物理上寻找本质的东西，其次是数据过多，难以分析。难以分析。要解决的实际问题很多：高温、高压、高效、高转速、高推重比，宽工要解决的实际问题很多：高温、高压、高效、高转速

11、、高推重比，宽工况范围、小型化、安全可靠性的要求，对设计、材料、加工工艺、安装况范围、小型化、安全可靠性的要求，对设计、材料、加工工艺、安装调试，监测、控制提出越来越高的要求。调试，监测、控制提出越来越高的要求。叶轮式机械持续发展的因素叶轮式机械持续发展的因素 2 2叶轮机理论并不是一个纯理论。叶轮机理论并不是一个纯理论。由于叶轮机牵涉到军事工业与国家经济命脉的行业，各大国均十分重由于叶轮机牵涉到军事工业与国家经济命脉的行业，各大国均十分重视。如我国视。如我国863863的投入与近年军工投入、西气东输，的投入与近年军工投入、西气东输，2121套发电用燃机套发电用燃机等投入。由于叶轮机是提供动力

12、与能源，所以，无论其他如生物，基等投入。由于叶轮机是提供动力与能源，所以，无论其他如生物，基因，微电子技术发展，仍不能代替叶轮机的作用。因，微电子技术发展，仍不能代替叶轮机的作用。目前大至目前大至 120120万千瓦的单机，小至几十毫米见方的微型燃机。很小的万千瓦的单机，小至几十毫米见方的微型燃机。很小的几十微米的水泵。发展空间很大。几十微米的水泵。发展空间很大。麻省理工开发的微型燃机移动式离心压缩机的发展移动式离心压缩机的发展 1 1与轴流相比，流量小，压比高，效率较低，简单与轴流相比，流量小，压比高，效率较低，简单来自航空推进技术与工业需求的动力来自航空推进技术与工业需求的动力 航空推进技

13、术的引入推动了离心压缩机的发展。航空推进技术的引入推动了离心压缩机的发展。英国的英国的Frank Whittle和德国的和德国的Hans JoachlmPabst von chain分别造出了世界上第一台喷气发动机，分别造出了世界上第一台喷气发动机，他们都使用了离心压缩机他们都使用了离心压缩机Von chain的的HeW3B发动机与发动机与1939年年4月月27日装在日装在亨克尔亨克尔78式战斗机上完成了世界上第一次喷气飞式战斗机上完成了世界上第一次喷气飞行，安装行，安装Whitttle的的WI发动机的幽灵式发动机的幽灵式E2839战战机于机于1941年年5月月15日第一次飞行。日第一次飞行。

14、移动式离心压缩机的发展移动式离心压缩机的发展 2 2 Frank Whittle于于1930年年7月申请了喷气式发月申请了喷气式发动机专利，图动机专利，图4和图和图5是是Whitttle WI型发动机的剖型发动机的剖面图和转子图，装有一个两侧进气的单级离心压面图和转子图，装有一个两侧进气的单级离心压缩机，由同轴的单级透平带动，使用双面进气转缩机，由同轴的单级透平带动，使用双面进气转子是为了防止转子尖部流速超音，并减少轴承承子是为了防止转子尖部流速超音，并减少轴承承受的轴向力，他曾设想制造单级压比为受的轴向力，他曾设想制造单级压比为4的压缩的压缩机，当时最高的压比为机，当时最高的压比为2.5。早

15、期使用离心式压缩机与向心式透平的燃机早期使用离心式压缩机与向心式透平的燃机移动式离心压缩机的发展移动式离心压缩机的发展 4 4二战后，离心式压缩机主要在小型飞行器上得到二战后，离心式压缩机主要在小型飞行器上得到广泛的应用，如直升机和一些小型飞机的辅助动广泛的应用，如直升机和一些小型飞机的辅助动力装置。直升机的性能取决于发动机的性能，尤力装置。直升机的性能取决于发动机的性能，尤其式军用发动机要有紧凑的结构和高的推重比。其式军用发动机要有紧凑的结构和高的推重比。直升机最理想的压缩机配置是单级压缩机，主要直升机最理想的压缩机配置是单级压缩机，主要是简单，耐用。对没有回热器的燃气轮机而言，是简单，耐用

16、。对没有回热器的燃气轮机而言，需要具有高压比和高的透平进口温度。这样，单需要具有高压比和高的透平进口温度。这样，单级离心压缩机压比为级离心压缩机压比为8：l12：l时，在合理的叶时，在合理的叶尖间隙条件下，级效率需要达到尖间隙条件下，级效率需要达到80。 移动式离心压缩机的发展移动式离心压缩机的发展 5 5一个替代方法是压缩机前几级采用轴流式，最一个替代方法是压缩机前几级采用轴流式，最后一级或两级采用离心式，这种设计常用在公后一级或两级采用离心式，这种设计常用在公务机的发动机上，下图是务机的发动机上，下图是RTM332发动机，单发动机，单台功率为台功率为1369千瓦，最大连续功率千瓦，最大连续

17、功率1253千瓦。千瓦。主要用于主要用于NH90直升机。直升机。用在稍大型飞机上的用在稍大型飞机上的 轴马力可达到轴马力可达到1750。 固定式离心压缩机的发展固定式离心压缩机的发展 1 1大流量轴流压缩机一般效率应在大流量轴流压缩机一般效率应在0.880.92, 如如GHH、Sulzer、陕鼓采用静叶可调，俄罗斯一、陕鼓采用静叶可调，俄罗斯一家原用于军工生产的基里夫工厂的轴流压缩机效家原用于军工生产的基里夫工厂的轴流压缩机效率高达率高达0.92，涅瓦工厂达到，涅瓦工厂达到0.90左右。左右。大流量的离心压缩机效率达大流量的离心压缩机效率达0.85以上，如欧美、以上，如欧美、日、俄诸厂家日、俄

18、诸厂家Demag、Delava、Elliot、Sultzer，新皮隆，日立，三菱，荏原，神户制钢所及国内新皮隆，日立，三菱，荏原，神户制钢所及国内沈鼓、陕鼓、锦西都能达到此水平左右。沈鼓、陕鼓、锦西都能达到此水平左右。大型炼油、乙烯、化肥、尼龙、等石化企业中对大型炼油、乙烯、化肥、尼龙、等石化企业中对离心压缩机的更苛刻的要求是混合介质在压缩过离心压缩机的更苛刻的要求是混合介质在压缩过程中的物性变化程中的物性变化(如如Cp、粘度、可压缩性系数等、粘度、可压缩性系数等)的掌握，特别在临界点附近的急剧变化。的掌握，特别在临界点附近的急剧变化。固定式离心压缩机的发展固定式离心压缩机的发展 2 2目前的

19、关键在于高压比、小流量压缩机的效率。目前的关键在于高压比、小流量压缩机的效率。由于小流量压缩机管道很窄，对整个流道来讲，由于小流量压缩机管道很窄，对整个流道来讲，摩擦损失所占的比重很大，因此，效率较难提高。摩擦损失所占的比重很大，因此，效率较难提高。另外，叶轮的效率高低与叶轮的某些尺寸有很大另外，叶轮的效率高低与叶轮的某些尺寸有很大的关系。的关系。如轮廓比如轮廓比Dh、叶轮轴向长度、叶轮轴向长度Z 、叶片形状在、叶片形状在一定的一定的D2下如轮廓比下如轮廓比Dh较大；叶片变短，叶较大；叶片变短，叶片负荷增大，一般效率会下降；片负荷增大，一般效率会下降；Z过小，会使流过小，会使流动的转弯过急，效

20、率也会下降动的转弯过急，效率也会下降 固定式离心压缩机的发展固定式离心压缩机的发展 3 3对单轴多级压气机来讲，轴径较细或两轴承间间对单轴多级压气机来讲，轴径较细或两轴承间间距过大，会引起转子动力学问题因此对单轮多距过大，会引起转子动力学问题因此对单轮多级压气机而言，在高压（即小流量）时级压气机而言，在高压（即小流量）时, , 一般效一般效率不可能过高率不可能过高. . 如沈鼓、俄罗斯、新皮隆模型级中如沈鼓、俄罗斯、新皮隆模型级中(b2/D20.01) (b2/D20.01) 效率约为效率约为 0.550.55，就已经是国际中上水平了。，就已经是国际中上水平了。 小流量高压头叶轮是主攻方向，各

21、种怪叶型很多。小流量高压头叶轮是主攻方向，各种怪叶型很多。 国内外民用界轴流、离心压缩机发展现状国内外民用界轴流、离心压缩机发展现状国外公司国外公司 沈阳鼓风机厂：引进意大利新皮隆技术，沈阳鼓风机厂：引进意大利新皮隆技术，Demag、日立部分技术、日立部分技术(离心离心) 陕西鼓风机厂：引进瑞士陕西鼓风机厂：引进瑞士Sulzer技术技术( (轴流轴流) )，俄技术，俄技术( (离心离心) )，三菱，三菱TRTTRT 上海鼓风机厂：引进动叶可调轴流通风机技术上海鼓风机厂：引进动叶可调轴流通风机技术 江津增压机厂江津增压机厂: ABB: ABB增压器，杭氧：离心、增压器、氧压机增压器，杭氧：离心、

22、增压器、氧压机 南京燃气轮机厂：引进南京燃气轮机厂：引进GEGE几个型号的许可证，技术含量较低。几个型号的许可证，技术含量较低。国内情况国内情况 GE, Siemens, Nuovo Pignone, Delava, Demag, GHH, Sultz, Elliot, Ingersoll-Rand, Dresser Rand, ABB，涅瓦工厂，日立，三，涅瓦工厂，日立，三菱、荏原，神户制钢所等。菱、荏原，神户制钢所等。技术支持方面：如技术支持方面：如NASA, NREC , Concept等。等。 国内外轴流、离心压缩机设计方法现状国内外轴流、离心压缩机设计方法现状 在叶轮机械气动力学理论

23、发展中，以吴仲华先生在叶轮机械气动力学理论发展中，以吴仲华先生S1-S2流面理论为流面理论为代表的我国一批专家，如刘高联、蔡睿贤、王仲奇、徐建中、蒋洪代表的我国一批专家，如刘高联、蔡睿贤、王仲奇、徐建中、蒋洪德等院士，作出了重大的贡献，使我国在叶轮机械气动力学领域在德等院士，作出了重大的贡献，使我国在叶轮机械气动力学领域在国际上占据较高的地位。国际上占据较高的地位。 实际设计能力，由于受到材料、加工工艺的限制，与国外发达国实际设计能力，由于受到材料、加工工艺的限制，与国外发达国家是有差距的。家是有差距的。 设计方法与理论方面：设计方法与理论方面：技术支持方面：如技术支持方面：如NASA, NR

24、EC , Concept等。等。流场计算流场计算 CFD软件：软件：Fluent, Numeca, CFX, Star CD, Phenix2) 设计技术方面设计技术方面 近十年来，国外对我国进行技术封锁，只出口产品，而近十年来，国外对我国进行技术封锁，只出口产品，而不出售技术。而同时从不出售技术。而同时从70年代后期起引进的石化大型成套装年代后期起引进的石化大型成套装置，都面临更新换代、挖潜增效的任务，需要开发自主的气置，都面临更新换代、挖潜增效的任务，需要开发自主的气动设计方法与技术。动设计方法与技术。中国每年有中国每年有20亿元以上的叶轮式压缩机亿元以上的叶轮式压缩机市场，国外公司进入，

25、国内公司追求发展，己形成一定的技市场，国外公司进入，国内公司追求发展，己形成一定的技术市场。术市场。 约约8 家购买家购买 NREC的叶轮机械气动设计软件，使用情况的叶轮机械气动设计软件，使用情况并不理想。并不理想。3) 发展方向：高压、高效、优良的变工况性能、小型化发展方向：高压、高效、优良的变工况性能、小型化 国内仍在运行的进口大型机组的水平国内仍在运行的进口大型机组的水平 国内三十万吨合成氨（国内三十万吨合成氨（7575年）机组水平年）机组水平 空压机（空压机（101101J J）效率约）效率约 0.7250.725 原料气压缩机（原料气压缩机（102102J J）效率约）效率约 0.6

26、270.627 合成气压缩机（合成气压缩机（103-J)103-J)效率约效率约 0.7090.709 氨压机，氨压机， CO2CO2压缩机效率压缩机效率国内三十万吨乙烯装置（国内三十万吨乙烯装置（7575年）机组水平年）机组水平 裂解气压缩机（裂解气压缩机（GB201GB201）效率约）效率约 0.7570.757 丙烯压缩机（丙烯压缩机（GB501GB501）效率约）效率约0.750.75 乙烯压缩机（乙烯压缩机（GB601GB601）效率约）效率约0.680.68 目前国内外同类机组的水平（目前国内外同类机组的水平（90年代），效率要比年代），效率要比70年代年代的机组高的机组高25以上

27、，因此有必要进行更新或改造以上，因此有必要进行更新或改造CO2压缩压缩机的防喘、防振等问题的改造。机的防喘、防振等问题的改造。离心式压缩机的发展方向离心式压缩机的发展方向 最近最近50年，离心式压缩机得到了飞速发展，单年，离心式压缩机得到了飞速发展，单级压比可达到级压比可达到8:l，现在仍需要更高效率的压缩，现在仍需要更高效率的压缩机。机。气动设计方法的改进：气动设计方法的改进： 相似设计法相似设计法 设计理论方法设计理论方法+经验公式经验公式 实验方法实验方法(性能与内部流场性能与内部流场) 机组先进性的标志与发展方向机组先进性的标志与发展方向 先进的气动设计与强度与转子动力学设计先进的气动

28、设计与强度与转子动力学设计 制造技术制造技术( (五座标铣床、焊接五座标铣床、焊接) )与检测技术与检测技术 可靠的实际混合气体热物性计算可靠的实际混合气体热物性计算 轴承、密封技术轴承、密封技术 良好的中冷器与冷凝量计算良好的中冷器与冷凝量计算 安全可靠的运行保障系统安全可靠的运行保障系统 机组先进性的标志主要包括机组的高效率、大工况范围、高转速、机组先进性的标志主要包括机组的高效率、大工况范围、高转速、小型化、组合化（低价格），精良的制造技术，材料，安全可靠的运小型化、组合化（低价格），精良的制造技术，材料，安全可靠的运行保障等内容行保障等内容 离心式压缩机的关键技术发展离心式压缩机的关键

29、技术发展气动设计方法的发展：使流体能很顺畅地流过气动设计方法的发展：使流体能很顺畅地流过(最小能量泛函原理最小能量泛函原理)物性计算物性计算(工艺过程中变化、换热、冷凝工艺过程中变化、换热、冷凝)寻找一个较好的寻找一个较好的P-Q匹配的设计点匹配的设计点变工况性能曲线变工况性能曲线喘振与失速线之预测喘振与失速线之预测导致现代设计理论与方法导致现代设计理论与方法： 三多与二非三多与二非二二 流体机械气动设计理念发展中的前沿问题流体机械气动设计理念发展中的前沿问题新一代反命题与优化命题研究新一代反命题与优化命题研究 叶轮机械三多二非设计理念叶轮机械三多二非设计理念 以往设计：单设计工况，定常以往设

30、计：单设计工况，定常 三多设计：多设计工况，多目标函数、多约束条件三多设计：多设计工况，多目标函数、多约束条件 二非设计：非定常流动、非稳定流动设计二非设计：非定常流动、非稳定流动设计 基于基于CFD的叶轮机优化方法的叶轮机优化方法 基于最优控制理论离心压缩机现代设计方法基于最优控制理论离心压缩机现代设计方法流体机械机械设计中的前沿问题流体机械机械设计中的前沿问题 强度与转子动力学设计，不平衡响应与调频强度与转子动力学设计，不平衡响应与调频 材料材料 气固耦合与颤振气固耦合与颤振 制造技术制造技术( (五座标铣床、焊接五座标铣床、焊接) )与检测技术，气动设计与与检测技术，气动设计与 快速造型

31、技术的配合，激光成形等新技趋快速造型技术的配合，激光成形等新技趋 可靠的实际混合气体热物性计算可靠的实际混合气体热物性计算 轴承轴承( (气体、磁悬浮气体、磁悬浮) )、密封技术、密封技术( (高压干气高压干气) ) 良好的中冷器与冷凝量计算良好的中冷器与冷凝量计算 安全可靠的运行保障系统、仿真安全可靠的运行保障系统、仿真 流体机械发展中所蕴藏的科学问题流体机械发展中所蕴藏的科学问题流体力学以及叶轮机械气流体力学以及叶轮机械气( (水水) )动力学的基本理论：动力学的基本理论：关键：关键：流体是有粘的、各向异性、非线性、非定常流体是有粘的、各向异性、非线性、非定常 N-SN-S方程的不可解。方

32、程的不可解。势流流动势流流动-理论流体力学、场论、复变函数、奇点、保理论流体力学、场论、复变函数、奇点、保角变换等发展到提出的儒可夫斯基机翼理论。角变换等发展到提出的儒可夫斯基机翼理论。粘流流动：实验流体力学粘流流动：实验流体力学 基于边界层假定基于边界层假定 欧拉方程与个别欧拉方程与个别N-SN-S方程的特殊解方程的特殊解 N-SN-S方程的数值解与紊流模型数值解。方程的数值解与紊流模型数值解。流体机械发展中所蕴藏的科学问题流体机械发展中所蕴藏的科学问题N-S方程的数值解与紊流模型数值解。方程的数值解与紊流模型数值解。非线性系统动力学固有问题非线性系统动力学固有问题非定常流体动力学固有问题非

33、定常流体动力学固有问题非稳定流体动力学非稳定流体动力学跨、超音速流动跨、超音速流动汽液：汽泡动力学，汽蚀与泥沙微团混合磨损问题汽液：汽泡动力学，汽蚀与泥沙微团混合磨损问题气固：气固磨损与分离中的问题气固：气固磨损与分离中的问题微尺度部件中流动微尺度部件中流动新一代反命题与优化命题研究新一代反命题与优化命题研究(存在性、唯一性存在性、唯一性) N-SN-S方程的数值解与紊流模型数值解：方程的数值解与紊流模型数值解：关键：关键： N-SN-S方程本身可信性问题方程本身可信性问题，数学上存在混沌、，数学上存在混沌、 分岔等一系列难点分岔等一系列难点 N-SN-S方程的雷诺平均方法可信性问题方程的雷诺

34、平均方法可信性问题 雷诺方程模化的可信性问题雷诺方程模化的可信性问题， 基于均匀、各向同性紊流的实验数据基于均匀、各向同性紊流的实验数据 传输方程的理念是一阶的概念，对强非传输方程的理念是一阶的概念，对强非 线性系统是一种简单化处理线性系统是一种简单化处理 生成项、耗散项、源项的模化，系数的取法生成项、耗散项、源项的模化，系数的取法 计算格式的选取，边界条件确定计算格式的选取，边界条件确定 大涡模拟大涡模拟非线性系统动力学固有问题非线性系统动力学固有问题 非线性系统动力学固有问题：非线性系统动力学固有问题： 三论三论( (控制论、系统论、信息论控制论、系统论、信息论) ) 非线性科学是新三论非

35、线性科学是新三论( (突变论、耗散结构论、协同论突变论、耗散结构论、协同论) )的基础的基础 1)1)突变论：某一参数改变至临界值，系统状态出现突变，实质上是失突变论：某一参数改变至临界值，系统状态出现突变，实质上是失稳。物理上如相变、物种灭亡、战争、南北极调换、流体中失速团的稳。物理上如相变、物种灭亡、战争、南北极调换、流体中失速团的演变、系统喘振、磁滞曲线、喘振环、材料断裂、放大器放大率突变演变、系统喘振、磁滞曲线、喘振环、材料断裂、放大器放大率突变等。数学上则认为是、微分方程进入失效的固有问题如混沌、分岔、等。数学上则认为是、微分方程进入失效的固有问题如混沌、分岔、极限环或可能的分数维结

36、构。这是非线性系统的固有特征极限环或可能的分数维结构。这是非线性系统的固有特征( (如磁滞曲如磁滞曲线、喘振环的不可能直接返回初始点线、喘振环的不可能直接返回初始点) )，是避开还是利用，是避开还是利用? ? 非线性系统动力学固有问题非线性系统动力学固有问题 2 2非线性科学是新三论非线性科学是新三论( (突变论、耗散结构论、协同论突变论、耗散结构论、协同论) )的基础的基础 2)2)耗散结构论：系统可以在某些条件下稳定，没有耗散的系统必然是耗散结构论：系统可以在某些条件下稳定，没有耗散的系统必然是不稳定的，但耗散过大最终停止运动。因此对于一个远离平衡态的开不稳定的，但耗散过大最终停止运动。因

37、此对于一个远离平衡态的开放系统放系统( (指有能量与质量交换，封闭系统一般指有能量交换而无质量指有能量与质量交换，封闭系统一般指有能量交换而无质量交换交换) )通过与外部的能量与质量交换，以及内部的不可逆过程通过与外部的能量与质量交换，以及内部的不可逆过程( (耗散耗散) )，无序的非平衡态可能失稳，某些涨落可能被放大，而使原来的混沌无无序的非平衡态可能失稳，某些涨落可能被放大，而使原来的混沌无序状态发生突变，可能出现稳定的有序结构。这种有序结构序状态发生突变，可能出现稳定的有序结构。这种有序结构( (无序无序有序有序) )的形成与维持都需要能量的耗散，称之为耗散结构。如的形成与维持都需要能量

38、的耗散，称之为耗散结构。如N-SN-S方程方程到雷诺方程到输运方程，就要制造一种生成、耗散、源项的物理意义到雷诺方程到输运方程，就要制造一种生成、耗散、源项的物理意义上趋向平衡的结构，边界层内生成等于耗散的假定等。上趋向平衡的结构，边界层内生成等于耗散的假定等。 系统失稳条件是：远离平衡态，动力学过程中有系统失稳条件是：远离平衡态，动力学过程中有适当的适当的非线性作用非线性作用 非线性系统动力学固有问题非线性系统动力学固有问题 3 3非线性科学是新三论非线性科学是新三论( (突变论、耗散结构论、协同论突变论、耗散结构论、协同论) )的基础的基础 3)3)协同论：大系统协同论：大系统( (可以是

39、自然界、人类社会、金融系统可以是自然界、人类社会、金融系统等等) )是许多分层次的、互相联系的、互相作用但又独立的是许多分层次的、互相联系的、互相作用但又独立的子系统组成。子系统有自发的无序的独立运动，但又能互子系统组成。子系统有自发的无序的独立运动，但又能互相耦合。如种群数目减少与增生的协同，如大系统多目标相耦合。如种群数目减少与增生的协同，如大系统多目标优化的协调解。优化的协调解。 非线性系统动力学固有问题非线性系统动力学固有问题4 4流体力学与流体机械内部流动中非线性问题流体力学与流体机械内部流动中非线性问题 相变，如工质冷凝中气液相平衡问题实际是非平衡态的问题相变，如工质冷凝中气液相平

40、衡问题实际是非平衡态的问题 失速团生成、演变失速团生成、演变 喘振环喘振环 系统喘振系统喘振 机翼叶栅大攻角工况的立涡出现机翼叶栅大攻角工况的立涡出现? ? 旋转园环中涡带生成、演变旋转园环中涡带生成、演变( (极限环极限环?) ?) 叶片表面紊流斑与自然界紊流斑现象叶片表面紊流斑与自然界紊流斑现象 非定常流体动力学固有问题非定常流体动力学固有问题1 1 速度与压力传播的频率、相位变化速度与压力传播的频率、相位变化 物性粘性、紊流粘性物性粘性、紊流粘性( (流动结构流动结构) )对其影响对其影响 非定常流动数值计算中问题非定常流动数值计算中问题 非定常流动与固体件非定常流动与固体件( (烟囱、

41、桥梁、高楼、叶片烟囱、桥梁、高楼、叶片) )的气固的气固 耦合及颤振问题耦合及颤振问题 非定常流动对叶片、机组性能影响非定常流动对叶片、机组性能影响 非定常效应的利用：扩压空间摆动流、间隙流、强升力非定常效应的利用：扩压空间摆动流、间隙流、强升力非定常流体动力学固有问题非定常流体动力学固有问题2 2非定常流动设计问题：非定常流动设计问题： 连续有规律变化来流，如进气道畴变，径向导气涡壳进气连续有规律变化来流，如进气道畴变，径向导气涡壳进气 连续有规律固壁变化连续有规律固壁变化 如直升机翼，如直升机翼， 大型空冷电站风机叶片，风力机叶片大型空冷电站风机叶片，风力机叶片 攻角不敏感叶片设计攻角不敏

42、感叶片设计 Clocking effects Clocking effects 的研究与应用的研究与应用( (性能、降噪性能、降噪) ) 非定常流动的三维分离、极限流线，分离准则等非定常流动的三维分离、极限流线，分离准则等 相邻叶栅间尾缘与前缘线空间位置分布之降噪相邻叶栅间尾缘与前缘线空间位置分布之降噪 三三 透平压缩机优化设计方法与原理透平压缩机优化设计方法与原理多级离心压缩机整体优化设计理论与方法多级离心压缩机整体优化设计理论与方法现代最优控制理论应用于叶轮机械设计现代最优控制理论应用于叶轮机械设计建立离心式压缩机喘振判断方法与准则建立离心式压缩机喘振判断方法与准则以往的设计：以往的设计：

43、考虑单一设计工况点，定常流场分析考虑单一设计工况点，定常流场分析(基于流线曲率法的各种算法、基于流线曲率法的各种算法、S1-S2流面、流面、有限元法有限元法)叶轮设计叶轮设计强度计算强度计算流场计算流场计算静子设计静子设计一维设计一维设计现代设计方法：现代设计方法： 多设计工况点多设计工况点 动、静干涉，进口非均匀、非定常动、静干涉，进口非均匀、非定常 系统喘振预测、叶片颤振系统喘振预测、叶片颤振 整机或部件中实际粘性流动分析整机或部件中实际粘性流动分析(N-S方程方程)当今流体机械设计观念的发展当今流体机械设计观念的发展以往设计：单设计工况，定常以往设计：单设计工况，定常三多设计三多设计(多

44、设计工况，多目标函数、多约束多设计工况，多目标函数、多约束)二非设计二非设计(非定常、非稳定设计非定常、非稳定设计) 三多设计三多设计(多设计工况、多目标、多约束的优化多设计工况、多目标、多约束的优化)多设计工况多设计工况：介质组份变化、冷却温度、冬夏环境、正常：介质组份变化、冷却温度、冬夏环境、正常与开工阶段等、希望寻找模拟优化设计点。与开工阶段等、希望寻找模拟优化设计点。多目标函数多目标函数：高效、宽工况范围、低造价。从优化理论知，：高效、宽工况范围、低造价。从优化理论知，原则上多目标无最优解。希望寻找协调解原则上多目标无最优解。希望寻找协调解(从可行解集中求从可行解集中求取取)。多约束条

45、件多约束条件：为了保证设计的可靠性，必须满足强度、转：为了保证设计的可靠性，必须满足强度、转子动力学与一些气动方面的约束。带约束比无约束的优化子动力学与一些气动方面的约束。带约束比无约束的优化在数学上更困难。在数学上更困难。达到优化设计的目标达到优化设计的目标：即不仅要有高的单设计工况点效率，：即不仅要有高的单设计工况点效率，并且还应该有能满足多个设计工况的设计以及高效的变工并且还应该有能满足多个设计工况的设计以及高效的变工况性能和大的喘振裕度来考核机组的综合先进性。况性能和大的喘振裕度来考核机组的综合先进性。 二非设计二非设计(非定常、非稳定非定常、非稳定)非定常流动设计非定常流动设计：叶轮

46、机械内部动、静部件的干涉、背压：叶轮机械内部动、静部件的干涉、背压的有规律或无规律的波动、进气蜗壳，进气道中的周向非的有规律或无规律的波动、进气蜗壳，进气道中的周向非均匀、非定常来流、对叶片气固耦合、颤振、级性能及整均匀、非定常来流、对叶片气固耦合、颤振、级性能及整机性能的作用与影响，应该在设计过程中，通过对叶片数、机性能的作用与影响，应该在设计过程中，通过对叶片数、动静部件间隙与周向位置分布、动静叶的叶型、扩压器、动静部件间隙与周向位置分布、动静叶的叶型、扩压器、回流器、蜗壳设计等的控制达到最好效果。回流器、蜗壳设计等的控制达到最好效果。非稳定流动设计非稳定流动设计：主要针对失速及系统喘振，

47、希望在设计主要针对失速及系统喘振，希望在设计阶段能有效地计算出可靠的喘振警戒线与尽可能地扩大喘阶段能有效地计算出可靠的喘振警戒线与尽可能地扩大喘振裕度，并通过压缩系统的稳定性分析得到当发生喘振时，振裕度，并通过压缩系统的稳定性分析得到当发生喘振时，回流的强度、喘振频率等重要参数，为设置防喘回路与防回流的强度、喘振频率等重要参数，为设置防喘回路与防喘阀的开启速度控制提供依据。喘阀的开启速度控制提供依据。 压缩机喘振会导致严重事故压缩机喘振会导致严重事故非稳定流体动力学非稳定流体动力学 1物理背景是非定常流动发展至某一临时参数，流动发物理背景是非定常流动发展至某一临时参数，流动发生突变、非稳定流动

48、生突变、非稳定流动失速与喘振的判断技术失速与喘振的判断技术 二非设计二非设计失速与喘振是压缩机的特殊问题失速与喘振是压缩机的特殊问题主要解决三个关键问题主要解决三个关键问题 失速点、喘振点的确定方法与准确度；失速点、喘振点的确定方法与准确度； 如何扩大喘振裕度如何扩大喘振裕度(即扩大工况范围即扩大工况范围)； 如何在设计前预测系统的喘振参数，确如何在设计前预测系统的喘振参数，确 定防喘振策略。定防喘振策略。非稳定流体动力学非稳定流体动力学 2级失速级失速 扩压器中的流态。扩压器中的流态。 通过叶轮与扩压器进出口的安装角与气流轨迹的流动计算通过叶轮与扩压器进出口的安装角与气流轨迹的流动计算,提出

49、提出实验数据关联的准则：实验数据关联的准则：Qsurge/Qdes=F( i, a a2, b3/d2, d4/d2) 压缩系统喘振压缩系统喘振 (已获得软件版权登记已获得软件版权登记) 采用小扰动理论、集中参数模型，采用小扰动理论、集中参数模型，通过稳定性分析，确定喘振点、喘振频通过稳定性分析，确定喘振点、喘振频率、强度、回流量。率、强度、回流量。失速与喘振的具体处理失速与喘振的具体处理非稳定流体动力学非稳定流体动力学 3 辽河油田二缸辽河油田二缸13级进口天然气压缩机组设计改造项目级进口天然气压缩机组设计改造项目1）气量减少）气量减少 经常喘振经常喘振 打回流维持生产打回流维持生产 耗能耗

50、能2）分子量降低）分子量降低 出口压力降低出口压力降低 影响后续工艺影响后续工艺 减产减产 用户要求在不改变机壳与转速的条件下用户要求在不改变机壳与转速的条件下: 提高出口压力，关闭回流阀提高出口压力，关闭回流阀1525% 73000Nm3/h 辽河油田进口天然气压缩机组改造后情况辽河油田进口天然气压缩机组改造后情况 改造后完全关闭回流阀，消除喘振与回流，改造后完全关闭回流阀，消除喘振与回流，节省能源，增加产量，使效益大增。节省能源，增加产量，使效益大增。 达到与超过达到与超过新皮隆公司的招标书上的技术指标。新皮隆公司的招标书上的技术指标。目前工厂的设计：目前工厂的设计：1)以模型级为基础，匹

51、配成机以模型级为基础，匹配成机 2)整机与级都重新设计整机与级都重新设计难点：难点：模型级是离散系统，但许多参数是连续系统，是混模型级是离散系统，但许多参数是连续系统，是混合系统优化合系统优化优化目标的确定优化目标的确定: 效率高、工况大、价格低效率高、工况大、价格低 多目标系统优化，一般无解多目标系统优化，一般无解多设计工况情况多设计工况情况：确定最优模拟工况点：确定最优模拟工况点多约束条件多约束条件：增加求优难度、但保证了设计的可行性：增加求优难度、但保证了设计的可行性3-1 多级离心压缩机总体优化设计方法多级离心压缩机总体优化设计方法多设计工况点：多设计工况点： 多目标函数：多目标函数：

52、多约束条件：多约束条件：由于介质组份由于介质组份 效率最高效率最高气动、强度气动、强度进口温度、压力进口温度、压力 工况范围最大工况范围最大转子动力学转子动力学中冷器温度变化等中冷器温度变化等 造价最低造价最低等等等等模拟最优工况点模拟最优工况点折合效率折合效率 三多设计三多设计1)(),(),(),(),(),()(kRkCkPkQkTkPkYpoutinininDSjjGSijiujiZjiBjijiDDSjjGSDSKSkXdh, 2 , 1),(, 2 , 1,),(),(),(),(),(, 2 , 1),()(222状态变量：第k个工况点的结构变量：整机效率：整机压头：喘振裕度：

53、整机工况范围: ),),()(1nRTQkXFkinin),),()(2nRTQkXFkPininoutdessQQQmin),),()(min3maxnkXFkQ),),()(4minnQkXFkQs主要 指标基于模型级数据库上的总体优化模型基于模型级数据库上的总体优化模型 多工况优化命题的建立，即是从多工况优化命题的建立，即是从N个设计工况中寻找个设计工况中寻找达到目标函数极大值的最优模拟工况。达到目标函数极大值的最优模拟工况。 模拟工况点 的数学表达式： optYmax)()()()(11NkNkoptkTkTkYF满足以下约束：一般约束：工况约束：0),(yxG0),(yxH多工况优化

54、命题多工况优化命题 最高效率，年经济收益、大工况范围最高效率，年经济收益、大工况范围 、低造价、低造价 。旨在考。旨在考虑寻找一个合理的优化目标与协调方式。虑寻找一个合理的优化目标与协调方式。 max)()()()(kTkTkBkQFoptmax)()()(kTkTkopt折合效率：折合效率：minmaxmaxmin)()(dh折合效率折合效率 目标函数目标函数(泛函泛函)的讨论的讨论进口流量满足用户要求进口流量满足用户要求出口压力满足用户要求出口压力满足用户要求单缸中的级数在给定范围内单缸中的级数在给定范围内(保证临界转速保证临界转速)在一般叶片厚度下，圆周速度在给定范围内在一般叶片厚度下，

55、圆周速度在给定范围内各段中的最小级数不得小于给定值各段中的最小级数不得小于给定值同一段中模型级的直径相等，单缸不冷却时可以变化同一段中模型级的直径相等，单缸不冷却时可以变化前面一段中的叶轮直径比后一段中的叶轮直径大一档或相等前面一段中的叶轮直径比后一段中的叶轮直径大一档或相等相邻两段中的级数相等或只相差一级相邻两段中的级数相等或只相差一级各段的出口温度必须在防爆防燃的安全范围内，整机出口温度各段的出口温度必须在防爆防燃的安全范围内，整机出口温度必须满足用户要求必须满足用户要求各段直径在要求范围内各段直径在要求范围内各段出口角在要求范围内各段出口角在要求范围内各段相对宽度在要求范围内各段相对宽度

56、在要求范围内约束条件的建立约束条件的建立 1每一工况的安全工况范围满足用户要求每一工况的安全工况范围满足用户要求,Qmin(k)Qmin,pr(k)0Qmax,pr(k)Qmax(k)0 k=1,2, N工况约束条件：工况约束条件：约束条件的建立约束条件的建立 2多级离心压缩机优化求优方法多级离心压缩机优化求优方法选择优化具体算法选择优化具体算法 可求导(梯度法、共轭梯度法等) 直接求优法(单纯形法等)计算中应注意计算中应注意：优化方向，优化步长，状态方程的形态，初值灵敏度分析与多次选取。多目标函数的协调优化多目标函数的协调优化：我们在模型级的基础上首次建立了混合系统（即系统中同时含有离散变量

57、与连续变量）的多目标优化的非线性规划的数学模型，并提出了工程实用的约束条件和解决此类问题的新方法混合搜索法及协调关系法。多设计工况点的示意图多设计工况点的示意图某富气压缩机改造实例某富气压缩机改造实例 通过改变转速均能到达各工况点要求，并使每个工况点都有一定的喘振裕度。3-2. 现代最优控制理论应用于叶轮机械设计现代最优控制理论应用于叶轮机械设计最优控制理论最优控制理论: 由自动控制由自动控制 d/dt 机械设计机械设计 d/dr优化命题：优化命题：代数方程描述的系统，用数学规划理论解决代数方程描述的系统，用数学规划理论解决微分方程描述的系统，用最优控制理论解决微分方程描述的系统，用最优控制理

58、论解决 常微分方程：集中参数最优控制常微分方程：集中参数最优控制 偏微分方程；分布参数最优控制偏微分方程；分布参数最优控制必须将由必须将由N-S方程控制的流动过程结合叶轮机械的特点，转方程控制的流动过程结合叶轮机械的特点，转化为由常微分方程描述的流动系统，用集中参数最优控制理化为由常微分方程描述的流动系统，用集中参数最优控制理论解决压缩机的优化设计命题。论解决压缩机的优化设计命题。设计方法内容设计方法内容轴流式与混流式叶片的扩压因子最优流型设计轴流式与混流式叶片的扩压因子最优流型设计方法方法 扩压通道表面最优速度分布研究扩压通道表面最优速度分布研究离心三元叶轮与二元窄叶轮的子午流道与叶片离心三

59、元叶轮与二元窄叶轮的子午流道与叶片形线优化设计理论与方法形线优化设计理论与方法数学模型引入等环面积曲线坐标 的各截面的计算方程： 01212122222RtgfCrCrCrCrsAgTriAgmjmumm流量方程： rrdCCgKGthjjmjr rr r0023-2-1 轴流式与混流式叶片轴流式与混流式叶片 的扩压因子流型设计方法的扩压因子流型设计方法 首先将该方程中所有非独立的未知量都化为r 的函数，经整理后得到一个未知变量的一阶非线性常微分方程：Cu20222212242232222222122222rSAgrrTarCarCarrCarrCrCRuuuuu根据流型的分布，采用隐式求解

60、，求解上式 扩压因子流型建模扩压因子流型建模 寻找最优扩压因子流型分布，在满足各约束寻找最优扩压因子流型分布，在满足各约束(控制变量控制变量与状态变量、等式与不等式与状态变量、等式与不等式)与初、终值条件下，使目标泛与初、终值条件下，使目标泛函（可为效率或总压比或功量）达到最大值。函（可为效率或总压比或功量）达到最大值。 数学模型数学模型 “扩充代价函数法扩充代价函数法”“”“连续变换术连续变换术” 将不等式状态约束转化为无约束问题将不等式状态约束转化为无约束问题扩压因子最优流型扩压因子最优流型 数学模型数学模型 优化命题的数学表述： uddrxxxgrCxddruxxxgddruxxxgdd