多级叶轮机械气弹特性谐波平衡分析方法研究

Investigation on numerical analysis of unsteady flow plays an important role in improving turbomachinery design, solving the aeroacoustic noise and aeroelasticy problem such as forcing vibration and flutter. Recently, the low efficiency of the common CFD method becomes an obstacle for progress of engineering application. In the project, the harmonic balance method mixed time- and frequency-domain will be developed in order to establish an efficient and high accurate approach on numerical simulation of unsteady flow and analysis of flutter in multistage turbomachines. Specific research will include: 1) development of numerical computation of unsteady flow in multistage turbomachines based on research related to the harmonic balance method, which can reduce the computational domain to a single blade passage within each blade row; 2) investigation on three-dimensional unsteady nonlinear flows in multistage turbomachines with multiple excitation frequency; 3) numerical method for flutter prediction to explore flutter mechanism, which will provide theoretical and technical approach to predict or avoid blade flutter; 4) testing and validation of approach developed in this project. The project will provide an innovational computational technique for periodic unsteady flow and establish the fundament of unsteady flow mechanism in multistage turbomachinery, which is of significance for renovation of modern turbomachinery design technique.

开展非定常流数值研究对于提高叶轮机设计水平、解决受迫振动、颤振等气弹稳定性问题以及气动噪声问题都具有非常重要的意义。目前传统的CFD计算方法由于计算效率低减缓了其工程应用的步伐。本项目拟发展时域/频域混合的谐波平衡分析方法，旨在建立高效高精度的多级叶轮机非定常流数值模拟与颤振预估技术。主要研究内容包括：基于谐波平衡分析方法，开展多级叶轮机非定常流动数值模拟方法研究，实现多级叶轮机单通道非定常流计算技术；分析在多种复杂激振因素综合作用下叶轮机三维非线性非定常流动特性，深入了解多级环境下的非定常流动机理；开展多级叶轮机械颤振数值预测方法研究，探索颤振发作机理，为准确预报和防止颤振发生提供理论与技术支持；通过压气机非定常流测试实验，为本方法的完善与校核提供实验数据支持。本项研究为非定常流计算技术发展提供了新的思路，为多级叶轮机非定常流机理研究奠定了基础，对发展叶轮机设计技术具有重要的科学意义。

开展非定常流数值研究对于提高叶轮机设计水平、解决受迫振动、颤振等气弹稳定性问题以及气动噪声问题都具有非常重要的意义。目前传统的CFD计算方法由于计算效率低减缓了其工程应用的步伐。本项目发展了时域/频域混合的谐波平衡分析方法，建立了高效高精度的叶轮机非定常流数值模拟与颤振预估技术。主要研究内容包括：基于谐波平衡分析方法，开展了叶轮机非定常流动数值模拟方法研究，实现了叶轮机单通道非定常流计算技术；分析了叶轮机三维非线性非定常流动特性,通过与半解析解、时域方法计算结果的对比，表明了本方法的正确性，且证明其计算效率远远高于时域方法；提出了叶轮机静气动弹性分析方法，研究了静气动弹性效应对叶轮机气动性能与结构特性的影响；开展了叶轮机械颤振数值预测方法研究，建立了叶轮机械颤振数值预估系统，探索颤振发作机理，为准确预报和防止颤振发生提供理论与技术支持；通过叶片颤振测试实验，为本方法的完善与校核提供实验数据支持。本项研究为非定常流计算技术发展提供了新的思路，为叶轮机非定常流机理研究奠定了基础，对发展叶轮机设计技术具有重要的科学意义。