多级风扇/压气机三维粘性流场的数值分析

　　1前言

　　叶轮机内部的流动是高度复杂的三维非定常流动，由于相邻叶片排之间的轴向间隙很小，即使不考虑动静叶之间的周期性非定常干扰因素，叶片排之间的流动仍然存在着强烈的径向不均匀性。计算机技术的进步和计算流体力学的发展，为工程实际提供了进行多级叶轮机全三维流动分析的数值模拟手段。与叶轮机中动静叶排相干的三维非定常流动计算相比，通过在叶片排之间进行特殊处理，忽略动叶转动引起的非定常影响因素，所得到的定常流动模型在一定程度上保留了相邻叶排的相互作用，且具有计算工作量小的优点，在实际的设计分析计算中得到了广泛的应用。

　　国外从八十年代末就开始了多级叶轮机全三维定常流动计算问题的研究，典型的如Dentonll]、D~s[zl及Ni[a]等人的工作，他们在多级压气机和涡轮的三维定常流数值计算研究中，采用了叶排间掺混平面模型。近年来，国内在这一问题上也开展了一些研究工作，文献[’]中采用通道平均模型[s]研究了多级压气机N一S方程的并行计算问题.目前，在国内跨音速风扇/压气机的设计中，已广泛应用了全三维粘性流场计算分析方法，检查流动匹配状况，调整设计参数。实践表明，与多级涡轮相比，多级跨音速风扇/压气机的全三维计算具有更大的难度，槽道强激波和较严重分离的存在，可能是造成一局面的主要原因。当级数增多或计算偏离设计点的状态时，计算往往需要很长时间，或者根本无法达到收敛标准。本文在进行多级跨音速风扇/压气机三维粘性流场的数值模拟中，采用掺混面模型，以高分辨率格式[6]和Lu一sGs隐式算法[v1求解N一s方程。给出了一个双级跨音速风扇[s]计算的详细结果及其与实验l0]的对比，此外，还对一个流场中含局部超音区的高亚音速五级高压压气机的流动进行了计算.

　　式中各项的意义见文献【10]。式(2)已不含时间项，变成了实际上的GAUSS一SEIDEL迭代，可迅速得到收敛结果。

　　式(2)中的右端项R包含有对流项、粘性项，以及源项H，粘性项采用中心差分格式离散，对流项则采用了二阶NND格式l6]，该格式形式简单、运算量小，而且是TVD类型的高分辨率格式。

　　计算所用的网格包括两部分，即转子叶排网格和静子叶排网格，均采用了H形网格，两部分网格在两叶排的轴向间隙内相接，相接处即为叶排间的交界面即掺混面，在此进行两叶排间的信息祸合.边界条件的处理方法为:

　　进口边界(转子进口)上，给定总压、总温、气流的绝对切向和径向分速度沿径向的分布，出口边界(静子出口)上，给定某一径向位置处的静压，出口其他径向位置处的压力利用径向平衡方程确定.