论文部分内容阅读
近几十年来，随着计算机技术和数值计算方法的发展，数值模拟已经成为了叶轮机械气动设计和优化等方面研究的主要方法之一。本文在PC集群并行平台上自主开发了一套并行数值模拟程序，为燃气透平先进气动设计体系中的气动分析提供数值研究工具。
并行计算在数值研究中的应用越来越广泛，本文针对叶轮机械内部流场的数值模拟，研究了基于MPI的并行方法。对于并行分区，本文采用了以叶栅通道为子计算域的方法，这样分区能够保证较大的并行粒度，易于控制进程加载平衡，具有较好的并行可扩展性和较高的并行效率；对于信息传递，文中通过将整个通信域分成两个子通信域，实现同一排不同通道(周向)以及排与排之间(轴向)的数据传递。文中采用文献NASA TP-1680中的单级透平作为算例，详细分析了单排多通道的并行效率和影响并行效率的因素；两排单通道情况下排与排之间的信息传递方法以及并行效率和影响并行效率的因素；多排多通道情况下同一排以及不同排之间的信息传递方法和并行效率以及影响并行效率的因素。上述三种情况下，文中采用的并行分区方法和信息传递方法能够达到90％左右的并行效率。
由Liou提出的对流迎风分裂方法(AUSM)融合了矢通量分裂方法在非线性波捕捉上的鲁棒性和通量差分分裂方法在线性波分辨率上的高精度，由Jameson提出的龙格-库塔方法能够实现时间项的高精度离散并且可以采用较大的CFL数，所以，本文采用基于RK-AUSM+离散方法，结合SpalartAllmaras湍流模型，开发了无粘流场和粘性流场的数值模拟程序。文中通过多个算例，从多个方面对该数值模拟程序进行了验证。对进口马赫数分别为0.03、0.50以及0.73的圆柱凸台的计算分析验证了程序对于低速、亚声速以及跨声速流动的模拟精度；采用经典的平板流动数值模拟验证程序对层流和湍流流动的模拟精度；对Sajben收缩-扩散通道内流场的数值模拟，一方面验证了数值方法对于激波的捕捉能力和对激波的分辨率，同时也验证了该数值方法对于大的分离区域模拟的准确性，而且通过上下边界层内速度分布与实验值的比较，进一步验证该数值方法能够准确的模拟边界层流动情况；最后对文献NASATP-3252中透平级静叶排内部粘性流场进行了数值模拟，并与实验值进行了比较，用以说明该数值方法能够模拟复杂流场流动。
在上述并行方法和数值方法的基础上，采用双时间步方法以及动静叶交界面上下游变量线性插值方法，对透平级非定常流动进行了数值模拟，比较了不同时间步长对于模拟结果的影响，并通过与CFX软件的模拟结果进行比较，验证了本文的非定常方法。掺混界面方法是叶轮机械多级计算中常用的排与排之间信息传递方法，包括周向平均变量以及交界面上下游流场信息传递方法，本文以文献NASA TP-1680中的单级透平作为算例，通过与非定常时均值的比较，分析了直接变量平均和无反射边界条件两种流场信息传递方法对定常数值模拟结果的影响。同时，在文中分析比较了三种不同周向平均变量组合对于透平级定常数值模拟结果的影响。