超临界二氧化碳轴流压缩机叶尖泄漏流动机理研究

The supercritical carbon dioxide (S-CO2) Brayton cycle has superior features of high power density, high conversion efficiency and highly integrated. It is one of the main cycles of the fourth generation of advanced XXX power technology in the future. The design of highly efficient and reliable S-CO2 axial compressor is the key for the engineering application of the high power level S-CO2 Brayton cycle, but the lack of the mechanism understanding of the tip leakage flow restricts the research and development of the high-performance compressor. This project studies the phase change determination method and the turbulence modeling method, fully considers the special property of S-CO2, forms the high-precision numerical simulation method which is suitable for the complex flow in S-CO2 compressor and improves the numerical efficiency of existing method. Whit this method, this project studies the effects of severe property change of S-CO2 in the near critical region to the evolution of the tip vortex structures, and the effects of CO2 phase change to the tip leakage flow patterns. This project will reveal the mechanism of the effects of the S-CO2 physical mutation in the near critical region to the evolution of the tip leakage vortex, blockage, flow loss, unsteady characteristics in the tip and stability. It will provide theoretical support to improve the design methods of the S-CO2 axial compressor and lay the foundation for the engineering application of the high power level S-CO2 Brayton cycle.

超临界二氧化碳（S-CO2）布雷顿循环具有高功率密度、高转换效率、高集成化的特点，是未来第四代先进X电技术的主流循环方式之一，高效、可靠的S-CO2轴流压缩机设计是大功率等级循环工程应用的关键，但对叶尖泄漏流动机理认识的欠缺制约着高性能S-CO2轴流压缩机的研发。本项目通过对相变物性确定方法、湍流模拟方法等方面工作的研究，综合考虑S-CO2特殊物性，构建适用于S-CO2压缩机复杂流动的高精度数值模拟方法，有效提高现有数值方法的模拟精度，并以此研究近临界区剧烈变化物性对叶尖涡系结构演化的影响、CO2相变对叶尖泄漏流动形态的影响，揭示S-CO2近临界区物性突变对叶尖泄漏涡结构演化、堵塞、损失、叶尖非定常特性及稳定性的影响机制，为完善S-CO2轴流压缩机的设计方法提供理论支撑，为大功率等级S-CO2布雷顿循环装置的工程设计奠定坚实基础。

本项目针对超临界二氧化碳特殊物性对压缩机流动性能影响机制，通过仿真方法深入对比分析超临界二氧化碳物性与理想空气在相似条件下产生的流动规律异同。针对压缩机内部流动主要流场结构等熵压缩过程，通过理论分析与数值模拟的方法深入研究一维等熵压缩过程下超临界二氧化碳与理想空气在相似条件下马赫数、压力、温度、密度等参数的变化规律，发现两种工质产生了明显不同的流动参数分布，但在压缩机设计中较为关键的静压系数在低马赫数下基本完全一致，在更高的马赫数情况下存在明显差异。针对压缩机叶栅、离心压缩机、轴流压缩机内流动，相似条件与低马赫数条件下，超临界二氧化碳工质与理想空气工质产生流动参数变化规律存在明显差异，但较为关键的静压系数、总压损失系数基本一致，两种工质在相似压缩机三维叶栅中产生的角区分离范围、强度基本一致，在不同入口条件、不同载荷等相似轴流压缩机中产生的叶尖泄漏流动结构也一致；在中等马赫数情况下，两种工质在压缩机叶栅中产生的静压系数分布则开始出现显著差异。研究结果表明低马赫数下，空气压缩机中与静压系数、叶片载荷、角区分离、叶尖涡系结构、叶尖堵塞等相关的研究经验可以良好的应用于指导超临界二氧化碳压缩机的设计。.本项目共发表学术论文10篇，其中SCI期刊论文2篇，EI论文3篇，受理国家发明专利8项，授权软件著作权1项。参加国际会议2人次，参加国内会议5人次。在人才培养方面，项目负责人入选第七届中国科协青年人才托举工程，3人晋升为副研究员，培养毕业硕士研究生1名。