叶轮机械三元流理论Lec_1
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§1-2 研究历史
§1-2 研究历史
• 四．三元粘性（最近十~十五年）
• Euler方程对准三元，三元粘性流计算的贡献 • 计算机及计算速度，数值方法的影响
• 五．三元非定常粘性流
• • • • 软件包TASCFlow，CFX4.2，CFX5.7-11.0 Numece (6.2,7.2,8.1) Fluent (5.0,6.1,6.18,6.3) Hit 3D…… (Euler,NS,非定常)
• 118x gain in this period • Expect another 100x gain in the next 5-6 years
从1995－2001年由于硬件技术及数值求解技术的发展使 FLUENT计算性能提高118倍（其中硬件10倍、软件12倍）
§ 1-3设计思想
– 可控子午型面 – 可控涡 – 弯叶片 – 掠叶片 – 3D设计 – 可控扩散叶型 – 仿生叶型“鱼头”，“海豚” – 非定常
§1-1 研究内容 - 设计方法
几何参数几个种要概念
• 一．跨叶截面（叶型，S1）
• 二．子午型面（子午流道，S2） • 三．侧型面
§1-1 研究内容
§1-2 研究历史
• 一．十九世纪
• 一元流、平均截面一元流计算，直叶片
• 二．二十世纪四十年代
• 载荷增大，叶片高度增加导致直叶片效率降低 • 简单径平衡方程，不考虑径向分速，但考虑参数沿 叶高的变化，出现等环量，等出气角，等密流，等 反动度等设计方法。 • 参数沿轴向，径向变化，从一元到二元，直叶片--扭叶片
§1-2 研究历史
§1-2 研究历史
• • • • • • • • • 六．计算流体力学与计算机的飞速发展 1992 4M 1994 8M 1995 8X4=64M 1997 128M 1998 0.5G 2002 1.5G win32 2G，win2003-X64 〉64G winXP-64
§1-2 研究历史
• 透平机械三元流理论 • 及其设计方法的研究
第一章 绪论
• 1-1研究内容
方法研究 考虑三维流动效应的叶轮机械计算理论与设计
• 叶轮机械内的流动特点
• 内容：
§1-1 研究内容 - 叶栅内的流动特点
第一章 绪论
§1-1 研究内容 - 叶栅内的流动特点
第一章 绪论
§1-1 研究内容 - 叶栅内的流动特点
§ 1-4气体在叶栅内的流动
• 基本概念
• • • • • • • 流线、极限流线 壁面摩擦力线 分离线 再附线 节点（分离节点，再附节点，螺旋节点） 鞍点 分离的类型：开式分离、闭式分离
Computing Trends – FLUENT Performance (1995-2001)
Historical Performance Gains
Intel iPSC/860 Convex Exemplar Convex Exemplar
25000
Cells / Second / Iteration
§1-2 研究历史
§1-2 研究历史
• 三．两类流面理论，流面，准三元计算
• （1） 无穷多叶片理论 • （2） 理想流体的三元流普遍理论（吴仲华） • 功率增加，下降，圆柱面流动假设极不准确，详细 地考虑到了流动的斜率与曲率对流场的影响。考虑 参数沿叶高的变化 • 流面理论 • 流函数法 • 原参数Euler方程流面平均 • 可控涡等设计方法
第一章 绪论
§1-1 研究内容 - 叶栅内的流动特点
第一章 绪论
§1-1 研究内容 - 叶栅内的流动特点
第一章 绪论
§1-1 研究内容 - 叶栅内的流动特点
第一章 绪论
§1-1 研究内容 - 叶栅内的流动特点
ห้องสมุดไป่ตู้
叶栅流动的计算方法
三维、粘性、非定常 多组分、多相、气液、气固 三维Euler方程组 有传热、相变 复杂的涡系、多尺度流动空间 三维方程的 各种简化 一元流动
Cray T3D SGI Pow erChallenge 8000 HP 9000/819
20000 15000 10000 5000 0
1995 Rampant 3.1 TIME Fluent/UNS 3/4 2001 Fluent 5 Fluent 6
IBM SP2 SGI Origin2000 196MHz Sun Ultra60 300MHz Intel Pentium II 300MHz Sun Ultra60 300MHz Intel Pentium II 400 MHz Intel Pentium II 450MHz Intel Pentium III Xeon 550MHz Intel Pentium III 800MHz SGI 3800 400Hz Sun Sunblade 1000 AMD Athlon 1.33GHz HP J6000 552MHz Compaq ES40 667MHz Intel Pentium 4 1.5GHz
§1-1 研究内容 - 计算理论
计算理论
CFD三元流动定常求解
N-S 方程
CFD三元流动非定常求解
转捩与湍流模型
§1-1 研究内容 - 计算理论
设计方法
• • • • • 1. 可控子午型面 2. 非均匀端壁 3. 可控涡，自由涡 4. 弯叶片 5. 3D设计
– 可控扩散叶型 – 仿生叶型“鱼头”，“海豚” – 非定常
§1-1 研究内容 - 叶栅内的流动特点
三维NS方程组
研究内容
• 考虑流动三维特性的
• • • 透平机械 计算理论 及设计方法。
§1-1 研究内容
计算理论
一元流动计算方法
Euler 方程
简单径向平衡方程cr 0, , p, i* , ，沿径向变化 完全 1 qd 周向平均方程 2 1 两类相对流面理论，S , S 流面定义 1 2 损失模型，落后角模型。1， 2
§1-2 研究历史
• 四．三元粘性（最近十~十五年）
• Euler方程对准三元，三元粘性流计算的贡献 • 计算机及计算速度，数值方法的影响
• 五．三元非定常粘性流
• • • • 软件包TASCFlow，CFX4.2，CFX5.7-11.0 Numece (6.2,7.2,8.1) Fluent (5.0,6.1,6.18,6.3) Hit 3D…… (Euler,NS,非定常)
• 118x gain in this period • Expect another 100x gain in the next 5-6 years
从1995－2001年由于硬件技术及数值求解技术的发展使 FLUENT计算性能提高118倍（其中硬件10倍、软件12倍）
§ 1-3设计思想
– 可控子午型面 – 可控涡 – 弯叶片 – 掠叶片 – 3D设计 – 可控扩散叶型 – 仿生叶型“鱼头”，“海豚” – 非定常
§1-1 研究内容 - 设计方法
几何参数几个种要概念
• 一．跨叶截面（叶型，S1）
• 二．子午型面（子午流道，S2） • 三．侧型面
§1-1 研究内容
§1-2 研究历史
• 一．十九世纪
• 一元流、平均截面一元流计算，直叶片
• 二．二十世纪四十年代
• 载荷增大，叶片高度增加导致直叶片效率降低 • 简单径平衡方程，不考虑径向分速，但考虑参数沿 叶高的变化，出现等环量，等出气角，等密流，等 反动度等设计方法。 • 参数沿轴向，径向变化，从一元到二元，直叶片--扭叶片
§1-2 研究历史
§1-2 研究历史
• • • • • • • • • 六．计算流体力学与计算机的飞速发展 1992 4M 1994 8M 1995 8X4=64M 1997 128M 1998 0.5G 2002 1.5G win32 2G，win2003-X64 〉64G winXP-64
§1-2 研究历史
• 透平机械三元流理论 • 及其设计方法的研究
第一章 绪论
• 1-1研究内容
方法研究 考虑三维流动效应的叶轮机械计算理论与设计
• 叶轮机械内的流动特点
• 内容：
§1-1 研究内容 - 叶栅内的流动特点
第一章 绪论
§1-1 研究内容 - 叶栅内的流动特点
第一章 绪论
§1-1 研究内容 - 叶栅内的流动特点
§ 1-4气体在叶栅内的流动
• 基本概念
• • • • • • • 流线、极限流线 壁面摩擦力线 分离线 再附线 节点（分离节点，再附节点，螺旋节点） 鞍点 分离的类型：开式分离、闭式分离
Computing Trends – FLUENT Performance (1995-2001)
Historical Performance Gains
Intel iPSC/860 Convex Exemplar Convex Exemplar
25000
Cells / Second / Iteration
§1-2 研究历史
§1-2 研究历史
• 三．两类流面理论，流面，准三元计算
• （1） 无穷多叶片理论 • （2） 理想流体的三元流普遍理论（吴仲华） • 功率增加，下降，圆柱面流动假设极不准确，详细 地考虑到了流动的斜率与曲率对流场的影响。考虑 参数沿叶高的变化 • 流面理论 • 流函数法 • 原参数Euler方程流面平均 • 可控涡等设计方法
第一章 绪论
§1-1 研究内容 - 叶栅内的流动特点
第一章 绪论
§1-1 研究内容 - 叶栅内的流动特点
第一章 绪论
§1-1 研究内容 - 叶栅内的流动特点
第一章 绪论
§1-1 研究内容 - 叶栅内的流动特点
ห้องสมุดไป่ตู้
叶栅流动的计算方法
三维、粘性、非定常 多组分、多相、气液、气固 三维Euler方程组 有传热、相变 复杂的涡系、多尺度流动空间 三维方程的 各种简化 一元流动
Cray T3D SGI Pow erChallenge 8000 HP 9000/819
20000 15000 10000 5000 0
1995 Rampant 3.1 TIME Fluent/UNS 3/4 2001 Fluent 5 Fluent 6
IBM SP2 SGI Origin2000 196MHz Sun Ultra60 300MHz Intel Pentium II 300MHz Sun Ultra60 300MHz Intel Pentium II 400 MHz Intel Pentium II 450MHz Intel Pentium III Xeon 550MHz Intel Pentium III 800MHz SGI 3800 400Hz Sun Sunblade 1000 AMD Athlon 1.33GHz HP J6000 552MHz Compaq ES40 667MHz Intel Pentium 4 1.5GHz
§1-1 研究内容 - 计算理论
计算理论
CFD三元流动定常求解
N-S 方程
CFD三元流动非定常求解
转捩与湍流模型
§1-1 研究内容 - 计算理论
设计方法
• • • • • 1. 可控子午型面 2. 非均匀端壁 3. 可控涡，自由涡 4. 弯叶片 5. 3D设计
– 可控扩散叶型 – 仿生叶型“鱼头”，“海豚” – 非定常
§1-1 研究内容 - 叶栅内的流动特点
三维NS方程组
研究内容
• 考虑流动三维特性的
• • • 透平机械 计算理论 及设计方法。
§1-1 研究内容
计算理论
一元流动计算方法
Euler 方程
简单径向平衡方程cr 0, , p, i* , ，沿径向变化 完全 1 qd 周向平均方程 2 1 两类相对流面理论，S , S 流面定义 1 2 损失模型，落后角模型。1， 2