基于一维_三维耦合方法的压气机喘振研究

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1、基于一维/三维耦合方法的压气机喘振研究(申请清华大学工学硕士学位论文)培养单位：汽车工程系学科：动力工程及工程热物理研究生：黄强强指导教师:郑新前长聘副教授二○一七年五月ResearchonCompressorSurgeBasedonOne-dimensional-three-dimensionalCouplingApproachThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMaste

2、rofScienceinPowerEngineering&EngineeringThermophysicsbyHuangQiangqiangThesisSupervisor:Prof.ZhengXinqianMay,2017摘要摘要航空涡轮发动机、燃气轮机、涡轮增压内燃机等发动机属于国家重大需求。压气机作为核心部件，其喘振问题严重影响发动机性能和可靠性。喘振主要特征深受压气机和压缩系统管道、容腔和阀门的共同影响。本论文采用数值仿真、理论分析和动态试验相结合的研究方法，旨在建立考虑管道、容腔和阀门等一维特征参

3、数和压气机三维复杂流动的一维/三维耦合方法以研究压气机喘振，主要研究内容及创新点为：（1）在国际上首次建立了研究压气机喘振的一维/三维耦合方法。采用特征线法求解管道可压缩一维非定常流动，再与压气机三维非定常仿真耦合，构建一维/三维耦合方法。提出了一维/三维交界面和边界条件的处理方法，论证了一维/三维耦合方法求解过程封闭；使用一维/三维耦合方法模拟激波管流动，仿真结果与理论解吻合，验证了一维/三维耦合方法数值求解的正确性；使用一维/三维耦合方法模拟压气机喘振，仿真捕捉到的正流量、流量变负、负流量、流量变正等典

4、型喘振过程，从低速到高速仿真与试验结果吻合，从而验证了一维/三维耦合方法研究压气机喘振的有效性。（2）基于一维/三维耦合方法，研究了压气机部件特性对压气机喘振的影响。通过调整进气预旋角和扩压器叶片角改变压气机部件特性，发现进气正预旋和关小扩压器通过改善叶轮或扩压器部件流动稳定性，从而降低压气机喘振流量、拓宽压气机稳定工作范围。一维/三维耦合方法仿真结果表明：处于深度喘振的压气机，施加30°进气预旋后压气机喘振流量降低，深度喘振周期增长；关小扩压器叶片角5°后，压气机退出深度喘振，处于稳定工作状态，从而揭示了

5、部件特性改变对压气机喘振的影响过程、规律及机理。（3）基于一维/三维耦合方法，研究了压缩系统特征参数对压气机喘振的影响。重点研究了阀门开度、管道长度、容腔体积、关阀速度的影响。管道长度缩短或容腔体积减小后，压气机深度喘振周期变短，喘振圈变小，最高压力降低；发现了阀门从大到小三种不同开度所对应的轻度喘振、混合喘振、深度喘振等三种不同喘振现象；研究了关阀速度对喘振的影响，快速关阀时压气机由轻度喘振变为深度喘振，慢速关阀时压气机由轻度喘振变为稳定工作状态，揭示了关阀速度对喘振特性和喘振边界有重要影响。关键词：压气

6、机；喘振；数值仿真方法；压缩系统；一维/三维耦合IAbstractAbstractAeroegnies,gasturbineenginesandturbochargedenginesareimportanttoourcountry.Compressorsarecorecomponentsinengines.Compressorsurgeheavilyaffectsperformanceandreliabilityofengines.Afeatureofsurgeisstreamwiseossilationo

7、fflowthroughthewholecompressionsystem.Itisgreatlyinfluencedbycompressorandcomponentsinthesystemincludingpipe,plenumandthrottle.Thethesiswillcombinenumericalsimulation,theoreticalanalysisanddynamicexperimentstodevelopaone-dimensional-three-dimensionalapproa

8、chwhichconsiderscompressibleflowinpipe,plenumandthrottleandtheapproachwillbeappliedtoinvestigatecompressorsurge.Primarycontentandinnoviationsinclude:(1)Itisthefirsttimetoestablishaone-dimensional-three-dimens