哈工大暑期学校讲稿2(分离流动)

2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿1

旋转机械流道内二次流动结构及分析方法康顺

华北电力大学（北京）动力工程系2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿2内容二次流动的定义流谱拓扑学基础奇点分布的拓扑规律三角翼大攻角绕流离心压缩机流道内二次流动2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿3二次流动定义二次流动偏离主流方向的流动，或主流流动速度与二次流动速度的矢量合，或实际流动速度与主流流动速度的矢量差主流流动的选择或定义不同的定义将得到不同的二次流动图谱平面叶栅中叶展截面的流动环形叶栅势流、无粘流、贴体网格线2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿4二次流动定义原则：任何一种定义必需正确地揭示流动的实际情况必需与壁面油流显示图谱或CFD的极限流线图谱相一致2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿5平面叶栅中的二次流动2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿6平面叶栅（测量）有/无叶顶间隙横向流动（无间隙）二次流动注意PV拓扑变化2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿73DFLOWANALYSIS

FlowPatternnearLERootsaddlepointandseparationlineonhubspiralpointnear-stallSeparationlineonSSVortexnearSSSaddlePointSSlegReattachmentLineSeparationLinePSlegSaddlePointSpiralPointSeparatedVortexVortexSSlegShockNear-stallPeak-eff.2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿83DFLOWANALYSIS

SecondaryFlowatPeakEfficiency

14572LE3LEsplitter6SSeparationHVAttachmentSeparationBVPBVPBVPBVPIV1BVSSVSVSVBVSTVTVTV1324SSSSSeparationSecondaryflowpatternandmeridionalvelocitycontourincross-sections,andlimitingstreamlineonthebladesurfacesandhubwall2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿9流谱拓扑学基础极限流线分离与附着（2D、3D）2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿10流谱拓扑学基础极限流线图谱中的奇点2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿11奇点分布的拓扑规律用微分方程相平面理论的奇点特性和拓扑学来定性地分析复杂的流动显象，是近年来理论流体力学研究中常用的手段之一。这种方法对于分析和校核三维分离流谱，研究分离机理，建立数值计算的数学模型、以及气动设计都有一定的实用价值。用拓扑的方法来定性地分析流动图画，能帮助人们了解和检查流谱的正确性，因此，近年来在流体力学领域，它得到了迅速的发展。Lighthill首先注意到，物体表面上的结点总数与鞍点总数之差为2。Hunt等进一步发展了Lighthill的工作，并将物面奇点和拓扑分析方法推广应用于三维物体截面的外部流场，建立了相应的拓扑法则。运用这些拓扑法则可科学地绘制出物面摩擦力线和截面流线的分布和走向，并进而可推断出空间流场的形态。然而，以前的大部分工作只适用于简单物体的绕流或飞行器等的外部流动，为了把拓扑分析的方法应用于研究叶轮机械等内部流动的流谱分析，本文基于Lighthill和Hunt等人的工作，建立了直列叶栅和环形叶栅表面摩擦力线关量场、以及流道内各种截面上流线矢量场的奇点数所服从的拓扑规律．2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿12简单回顾根据微分方程的相平面理论，物面摩擦力线图可称为物面摩擦力矢量场的相图。说两个相图拓扑等价(或同胚)，即两个相图具有相同的拓扑结构，当且仅当把一个相图作弹性运动，即随意地伸张它，扭曲它、拉它或折它，但不允许撕裂，不允许把不同点粘结在一起，使其与另一个相图重台。相图的这种运动叫做拓扑变换。相图经拓扑变换而保持不变的性质其中包括连通性、奇点的数目和类型等，为该相图的拓扑性质．2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿13简单回顾指数是拓扑学中另一个重要的概念。它表示了当在相图上沿着一闭曲线C约当闭曲线)环绕一周时，闭曲线上的矢量所转的固数．正常点的指数为零，鞍点的指数为－1；结点(包括焦点和中心结点)的指数为1；在一个闭曲面上奇点指数的和为该曲面的欧拉示性数．欧拉示性数也是拓扑不变量，它可表示为：

X＝2－2gg为复连通曲面的亏格(Genius)．2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿14简单回顾对于任一闭曲面，其上摩擦力矢量场的鞍点总数与结点总数之差服从如下的拓扑法则其中ΣN和ΣS分别表示结点总数和鞍点总数，g为复连通曲面的亏格(Genius)。在拓扑学中，亏格表示把一复连通曲面转化成球面所进行的“捌补运算”的次数。对于球面=0；环形曲面g=l；双环形曲面g=2；等等。2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿15简单回顾由上式可见，对于球体(包括任何与之拓扑等价的三维体)表面摩擦力矢量场的奇点数满足如下拓扑法则

ΣN－ΣS＝2也可用此方法研究三维物体截面之外的截面流线矢量场的拓扑法则。把位于截面边界上的奇点称之为半奇点(半鞍点或半结点)，以区别于流场中的奇点。若定义ΣN’，ΣS‘分别为截面上的半结点和半鞍点总数，则在三维流动截面上，奇点总数的拓扑法则为其中n为截面的连通数．2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿16孤立转子的拓扑法则假设转子轴是实心的，叶片与转子轴相连接成一整体显然这种叶栅拓扑等价于一个球体，即经过连续的弹性变形，这个三维转子叶栅的表面可变为一个球面。若再假设转子轴向上、下游延伸到足够远处(这与叶栅的远上、下游气流均匀的条件一致)，即在转子轴的两端截面的中心各存在一个结点。其中上游为附着结点，下游为分离结点。若还假设叶栅中气体流动相对于节距是周期的即在每个节距内，叶栅表面摩擦力矢量场的奇点数，奇点间的连接方式，以及对应奇点的性质是一样的．于是，若命每个节距内的结点总数为ΣN·，鞍点总数为ΣS，则由前式，叶栅表面摩擦力矢场的奇点数服从如下法则：Z：叶片数对于不带围带的动叶栅，在每一个节距范围内，叶栅表面摩擦力矢量场的结点总数等于鞍点总数。ZΣNt一ZΣSI=O2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿17环形叶栅的拓扑法则假设环形叶栅叶片与内、外环壁间无间隙。这样的叶栅表面不再拓扑等价于一个球面。把环形叶栅的内、外环壁向上、下游延伸，其中内环壁可以类似于上面对于转子轴那样的分析，而外环壁向上、下游延伸，并弯曲，使其前后相接形成一个环形曲面。摩擦力线环绕这个曲面。除了在叶栅流道内部表面及叶栅前、后缘的内外环壁外，其余表面无奇点。设叶片数为Z，经过对Z一1个叶片进行“剜补运算”，使内、外环壁只由一个叶片相连接。对于这样的一个组合曲面，其拓扑等价于一个环形曲面，而环形曲面的亏格为l。于是我们可求得环形叶栅的亏格为g＝Z得到环形叶栅表面摩擦力矢量场奇点数的拓扑法则为，

2+ZΣNt-ZΣSt=2-2Z，即ΣNt-ΣSt=-2对于环彤叶栅，每个节距内的总结点数比总鞍点数少2个2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿18汇总Forskin-frictionlinesonthesurfaces(balde,caing,andhub)ofaannularorlinearcascadeinpitchΣN-ΣS=-2Skin-frictionlinesonthesurfaceofunshroudedrotorinpitchΣN-ΣS=0Streamlinesinacrossflow(orsecondaryflow)field(ΣN+0.5ΣN’)-(ΣS+0.5ΣS’)=1Streamlinesinameridionalsurface(ΣN+0.5ΣN’)-(ΣS+0.5ΣS’)=0Streamlinesinthebladetobladesection(ΣN+0.5ΣN’)-(ΣS+0.5ΣS’)=-1Skin-frictionlinesonthesurfaceofcascadewithtipgapΣN-ΣS=0Streamlinesinacrossflow(orsecondaryflow)fieldofacascadewithtipgap(ΣN+0.5ΣN’)-(ΣS+0.5ΣS’)=02005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿19

2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿202005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿212005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿22三角翼大攻角绕流2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿232004年8月17－20第12届计算流体力学会议，西安23多重网格方法等级（Hierarchy）:

通过父－子单元的连接性生成粗网格，网格单元外形仍是六面体（二维时为四边形），其细粗网格数的比接近于1/2，加速率较低2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿242004年8月17－20第12届计算流体力学会议，西安24多重网格方法四级Agglomeration方法控制体凝聚（Agglomeration）:

通过“熔融”邻近的细网格单元生成一个数目较少的大尺度不规则多面体的粗网格，其相邻两级网格具有最佳的网格数目比（1/8），能极大的提高收敛速度。2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿252004年8月17－20第12届计算流体力学会议，西安25多重网格方法对比计算机器配置：

P42.6GHz，2GRAM，Linux系统收敛指标：连续方程残差-5.0网格单元总数：约32万计算时间：

Hierarchy方法：7.45小时

Agglomeration方法：2小时

加速率：3.72005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿262004年8月17－20第12届计算流体力学会议，西安26残差收敛历史2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿272004年8月17－20第12届计算流体力学会议，西安27网格自适应方法采用网格自适应方法后，压力梯度较大的区域网格密度明显增加，而压力梯度较小的区域密度降低α=15°31.8万/68.8万α=30°31.8万/66万2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿282004年8月17－20第12届计算流体力学会议，西安28网格自适应方法α=15°轴向截面内物面处压力分布曲线采用网格自适应方法能以较小的网格数目增加带来流场空间分辨率的明显提高2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿292004年8月17－20第12届计算流体力学会议，西安29前缘分离涡特性

对于尖前缘三角翼，在稍大的攻角下，迎风面边界层流动不能绕过尖前缘，背风面的边界层不能流向前缘，而是在前缘处形成自由涡层型三维分离。该自由涡层随着主流向后运动并不断卷起，在背风面上形成一对稳定的螺旋形集中涡，其涡量逐渐加强2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿302004年8月17－20第12届计算流体力学会议，西安30前缘分离涡特性α=15°始终维持螺旋状有序排列α=30°螺旋状有序排列从中部开始消失2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿312004年8月17－20第12届计算流体力学会议，西安31前缘分离涡特性总压损失系数极值点为涡核破裂点2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿322004年8月17－20第12届计算流体力学会议，西安32前缘分离涡特性旋涡横向截面流线和静压分布云图

在涡核破裂前后涡核区域静压值总是最低x=0.4Cx=0.6C2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿332004年8月17－20第12届计算流体力学会议，西安33前缘分离涡特性α=30°时沿轴向存在明显的逆压梯度，该逆压梯度将导致涡核破裂未采用网格自适应方法时，涡核处网格尺寸过大，因此同一位置涡核处模拟所得静压要比采用网格自适应方法时所得的值明显偏大2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿342004年8月17－20第12届计算流体力学会议，西安34前缘分离涡特性涡轴接近于直线，左右两侧涡轴位置几乎完全对称大攻角下涡轴更远离翼面，但攻角对涡轴展向位置影响不大未采用网格自适应方法时，攻角15°条件下头部涡轴出现明显的扭曲，这可能是由于头部前缘分离涡尚未充分发展，网格尺度过大。2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿352004年8月17－20第12届计算流体力学会议，西安35截面流线拓扑结构分析旋涡的轴向速度在涡核区取极值涡核破裂前，该极值为最大值，破裂后则为最小值x=0.4Cx=0.6C2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿362004年8月17－20第12届计算流体力学会议，西安36截面流线拓扑结构分析在x>0.45C区域的两个的破裂区，第一个为螺旋破裂，第二个为气泡破裂在破裂区轴向速度为负，发生回流2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿372004年8月17－20第12届计算流体力学会议，西安37不同雷诺数条件下圆形扩压器内旋涡二次破裂的实验照片a）Re=3400、b）Re=3800S.GortzandA.Rizzi,ComputingtheHigh–AlphaAerodynamicsofDeltaWings-EvaluationandAnalysis[R],AIAA01-0115.2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿382004年8月17－20第12届计算流体力学会议，西安38截面流线拓扑结构分析x=0.2C外侧向内，内侧向外x=0.45C向外x=0.5C向外x=0.6C外侧向外，内侧向内2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿392004年8月17－20第12届计算流体力学会议，西安39截面流线拓扑结构分析轴向速度增大的区域，流线图谱存在一个“极限环”破裂点前极限环之外的流线指向内，环内的流线指向外；破裂点后极限环外的流线指向外、极限环内的流线指向内。轴向速度减小的区域，流线方向向外，图谱显示为不稳定节点2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿402004年8月17－20第12届计算流体力学会议，西安40截面流线拓扑结构分析按照微分方程的稳定性理论，节点的稳定性取决于其散度值。当散度D>0时为不稳定节点（流线指向外）、D＝0时为中心节点、D<0为稳定节点（流线指向内）。如果假设流动为定常不可压，则从连续方程可以得出：散度值与旋涡轴向速度的变化规律有关，即：2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿412004年8月17－20第12届计算流体力学会议，西安41截面流线拓扑结构分析通过点源和点涡的叠加，近似分析节点随涡轴向速度（散度）变化的规律Vx按正弦规律变化，涡量为常值随着Vx沿着正弦曲线减少、增大、最后成为常值，节点将从稳定螺旋节点退化节点中心节点（图中未出示）不稳定螺旋节点（图中未出示）退化节点螺旋节点中心节点在流场中，受当地速度场梯度的影响，旋涡的截面流线图谱可能会显现为任何一种类型的节点2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿42离心压缩机流道内的二次流动SecondaryflowstructureinacompressorcascadewithtipclearancePV:Passagevortex;HV:Horseshoevortex;TLV:Tipleakagevortex;TSV:Tipsecondaryvortex;SV:Secondaryvortex;CSV:Concentratedshedvortex;CV:Cornervortex3DflowstructureinaxialmachineshaswellbeenstudiedAclearpicturehasemerged,withhorseshoevortex,passagevortexandend-wallcornerseparationManyresearchershavecontributedtothispresentstateofknowledge.2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿43离心压缩机流道内的二次流动3Dflowstructureincentrifugalmachineshasstillmanyopenquestionsleftandthedetailedinformationisstillratherfragmented.Longtwisted3Dpassageswithhighcurvatureandlowaspectratiomakesthedifficultyinobtainingdetailedflowdataintheflowchannels2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿44离心压缩机流道内的二次流动

Thejet/wakeConceptAsignificantprogressisthejet/wakeconcept,byDeanandhiscoworkersItreferstotheexistenceofalowenergyregionalongthesuctionsideinthedownstreampartoftheimpellerManyothershavecontributedtoitThroughflowvelocityattheexitofEckardt’simpeller,Eckardt(1979)

Vm/UVm/U

Radialdischarge

Backswept30o

HubShroudHubJetWake2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿45离心压缩机流道内的二次流动Inlet:highvelocityregionalongtheshroud/SSExit:highspeedsalongPSandlowerspeedsintheshroud/SScornerThisisduetosecondaryflowphenomenaPositionofthewakemaychangewithgeometryandflowconditions.

CombinationofpassageandbaldevorticesPVS&PVH:passagevorticesatshroudandhubBVS&BVP:bladesurfacevorticesatSSandPSCV:Coriolispassagevortex

2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿46AnalysisoftheSecondaryFlowinCentrifugalImpeller:

TheBasicForcesonImpellerFlowsTheinviscidbalanceofforces

sisalongthestreamline,nisnormaltothestreamlineinthebladetobladesurfaceandbisthebinormalperpendiculartosandn.

Inthebladetobladesurfacetransversepressuregradientis

mainlygeneratedbyCurvatureterm,ininducerCoriolisforce,inradialpartpointingfromPStoSS2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿47AnalysisoftheSecondaryFlowinCentrifugalImpeller:

TheBasicForcesonImpellerFlowsInthemeridionalsectionIntheinducer,Inradialpart,Thenormalbalanceofforces2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿48AnalysisoftheSecondaryFlowinCentrifugalImpeller:SecondaryFlowComponents

Thestreamwisevortocity,afterJohnson(1978)

Rnistheradiusofcurvatureinthedirectionn,normaltothestreamline

p*rotarystagnationpressurePassageVorticesFlowTurning+CoriolisForceBladetoBladeCurvatureMeridionalCurvaturePassageVorticesBladeSurfaceVorticesCoriolisVortices++2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿49AnalysisoftheSecondaryFlowinCentrifugalImpeller:SecondaryFlowComponentsPVS&PVH:passagevorticesatshroudandhubBVS&BVP:bladesurfacevorticesatSSandPSCV:Coriolispassagevortex2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿50AnalysisoftheSecondaryFlowinCentrifugalImpeller:SecondaryFlowComponentsBalanceofthevortices:

Ratioofthestreamwiseincrementsofthepassagevortices(PVandCV)tothebladesurfacevortex(BV)

Ro=W/wRm:Rossbynumber

2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿51BriefDescriptionoftheLSCC

LowSpeedCentrifugalCompressor(LSCC),builtinNASALewisResearchCenter,(Hathaway,etal.,1993)Dataavailablebacksweptimpeller,vanelessdiffuserexitdiameter:1.524mrotationspeed:1862rpmdesignmassflow:30kg/s

StaticpressureonbladesurfacesInletspanwisedistributionsExitspanwisedistributionsShroudpressuredistributionsVelocitieswithinbladepassage2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿52NumericalCalculationMethod

ComputationalGrid

ThreeBlockH-grid,createdwithIGG/AutogridBlock1:Flowpassage,extendedfrom40%meridionallengthupstreamofimpellerinletto15%impellertipradiusdownstreamBlock2:SpacebehindtheblunttrailingedgeBlock3:Tipgap2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿532005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿54二次流动

近壁面流动边界层内的二次流动往往是由某种力推动的。在离心压缩机叶轮流道内，静压沿着主流方向增加显而易见，静压沿着流向的逆压梯度不可能是叶片边界层内二次流动的推动力。2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿55近壁面流动因此在研究离心叶轮内的二次流动时，常常采用约化静压（ReducedPressure）的分布。二次流动的方向近似沿着约化静压的梯度方向。约化静压Pr定义为：对于可压缩流动，对于不可压缩流动可见，在约化静压中，扣除了由于系统旋转所产生的离心力对静压值的影响。2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿56ValidationandDiscussions

ReducedStaticPressuresonBladeSurfaces(DesignFlow)2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿57ValidationandDiscussions

ReducedStaticPressuresonBladeSurfaces(PartialFlow)2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿58ValidationandDiscussions

ReducedStaticPressuresonBladeSurfaces(HighFlow)ObservationsPressuregradientishigheronSSthanPS;Maximumgradientisininducerpart;Gradientincreaseswithmassflow.

2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿59ValidationandDiscussions

FlowNearBladeSurface(DesignFlow)2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿60ValidationandDiscussions

FlowNearBladeSurface(PartialandHighFlows)ObservationsSecondaryflowisstrongeronSSthanPSinfirsthalfofthechannel;Increasingmassflow,thesecondaryflowbecomesstronger.Secondaryflowalongthebladeincreaseswithstreamwisedistance.PressureSurface2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿61ValidationandDiscussions

ThroughFlowDevelopment

3D流动2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿62ValidationandDiscussions

ThroughFlowDevelopment

FineMeshBasicMeshCoarseMesh2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿63ValidationandDiscussions

ThroughFlowDevelopment

BasicMeshFineMeshCoarseMesh2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿64ValidationandDiscussions

ThroughFlowDevelopment

BasicMesh,k-emodelBasicMesh,Baldwin-Lomaxmodel2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿65ValidationandDiscussions

ThroughFlowDevelopment

PartialflowPartialflowHighflowBasicMesh,k-emodel2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿66ValidationandDiscussions

SecondaryFlowsExpExp2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿67ValidationandDiscussions

SecondaryFlows

BasicMeshExpFineMesh2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿683DFlowStructureinFlowPassage

Redlines:suctionsideBluelines:pressuresideDesignflowcondition2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿69TIPLEAKAGEFLOWSTRUCTURE

IsolinesofStaticPressureonShroudWallDesignFlowNotipgapwithtipgap2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿70TIPLEAKAGEFLOWSTRUCTURE

IsolinesofStaticPressureonShroudWallDesignFlowPartialFlowHighFlow2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿71TIPLEAKAGEFLOWSTRUCTURE

3DStreamlinesRedlinesfromtheleadingedge;Bluelinesfrombetweentheleadingedgeandmidchord;PinklikesfromdownstreamofthemidchordPartialFlowDesignFlowHighFlow2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿72高压比叶轮Krain等（1996，2002）带分流叶片和无叶扩压器的高压比离心压气机（SRV2－O设计）

。主要几何尺寸叶片数：主叶片/分流叶片为13/13、前缘叶根半径为30mm、前缘顶端半径为78mm、叶轮顶端半径为112mm、叶片出口高度为10.2mm、叶片后掠角为52deg，叶顶前缘间隙高度为0.5mm，后缘为0.3mm。

流动条件工质为空气，进口为标准大气。设计转速为50，000rpm、进口叶顶相对马赫数为1.3、叶轮出口叶顶线速度为586m/s、设计流量为2.55kg/s、设计点压比为6.1、效率为0.84。2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿73CFDVALIDATION&DISCUSSION

MachNumberatB2BSection90%spansection.differentmeshesat0.3mmgap.Allthecomputationspredictwelltheleadingedgeshock.Measuredshockiscurvedtowardsdownstreamwhenapproachingtothesurface.ThemeasuredMachnumberinfrontoftheshockis1.3,whilethepredictedvaluesoverawiderangeinthepitchwisedirectionarearound1.4.Asexpected,refiningthemeshincreasestheshockresolutionincreasingthetrailingedgegapsizedoesnotaffectobviouslytheflowfieldintheinducer.Designmassflowm/mchoke=0.89MeshIMeshII2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿74CFDVALIDATION&DISCUSSION

MachNumberatCross-SectionsRelativemachnumberatfourcrosssections;Atdesignmassflowm/mchoke=0.89.CFDwithMeshII(1.1Mmesh)IntervaloftheisolinesinbothCFDandexperimentalplotsis0.05.4312LESplitterLE2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿75CFDVALIDATION&DISCUSSION

MachNumberatCross-SectionNo.14312PSSSlocatedatashortdistanceupstreamoftheimpellerinlet.becauseofastrongerleadingedgeshock,aslightaxialshiftofthesectionmaycauseagreatvariationinthepattern.isolinepatterniswellconsistentwiththedataoverawiderange.Valuereducesfromthemax1.5attheupperleftcornerto0.7nearthehub.Theshockextendsinwardstoabout50%putedshockthicknessismuchwiderthantheexperimentalone.2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿76CFDVALIDATION&DISCUSSION

MachNumberatCross-SectionNo.2locatedatashortdistancedownstreamofthesplitterleadingedgecomputedisolinepatternisinverygoodagreementwiththeexperimentoverawiderangeofthepassage.Themaximumvalueinbothsplitterchannelsappearsatthecornerbetweenthesuctionsurfaceandshroud.Intheleftchannel,thepredictedlocationofthemaximumiswellconsistentwiththeexperiment,whileintherightchannel,thepredictedlocationisfatherawayfromthecornerthantheexperiment.Duetothetipleakageflowandpassagesecondaryflow,aregionwithlowenergyfluidexistneartheshroudSSPS43122005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿77CFDVALIDATION&DISCUSSION

MachNumberatCross-SectionNo.3&4LocatedclosetotheexitComputedresultsareinfairagreementswiththeexperimentswithalowvelocityregionlocatedneartheshroudformingtheso-calledwakeinthewake/jetconcept.However,thecomputedMachnumberissmallerthantheexperimentoverawiderangeofthechannelcenterNo.3No.42005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿783DFLOWANALYSISAlthoughthevalidationgivenabovepresentsvisiblediscrepancyfromtheexperimentaldata,maybeassociatedwithnumericalmethodused,andunknownexperrors,theglobalconsistencestillmakesitacceptableandvaluabletoanalysetheCFDdataforunderstandingthe3Dviscoussteadyflowinthehighspeedcentrifugalimpeller.ThefollowingCFDdataareobtainedwiththe1.1Mmeshatthedesigntipgap,0.3mm.

2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿793DFLOWANALYSIS

SupersonicRangeandShockWaverShaperedlines:unitMachnumberlinesandgrayrender:iso-surfaceofunitMachnumbersupersonicregion;shockwaves.Atchoke,supersonicflowrangebecomeslarger,extendinginwardsandforwardsdownstream.Atpeakefficiencycondition,tipvortexstretchesfromtheleftchannel,atthenear-chokecondition,thisvortexstretchesdownstreamthroughtherightchannel.TipLeakageVortexInletMidspanShockPeakefficiencyTipLeakageVortexInletMidspanShockNearChoke2005－07－202008动力工程及工程热物理全国研究生暑期学校讲稿803DFLOWANALYSIS

FlowPatternnearLERootsaddlepointandseparationlineonhubspiralpointnear-stallSeparationlineonSSVortexnearSSSaddlePointSSlegReattachmentLineSeparationLinePSlegSaddlePointSpiralPointSeparatedVortexVortexSSlegShockNear-stallPeak-eff.2005－07－202008动力工程及工程热