哈工大讲课流体机械学科中科学问题与发展

单击此处编辑母版标题样式,编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,大家好,1,流体机械学科中科学问题与发展,上海交通大学叶轮机研究所,谷传纲教授,2008,年,8,月,2,日,2,按我国分类，流体机械是动力工程及工程热物理一级学科下二级学科。按美国,ASME,关于转动机械分为二类：,Power Mech. Eng., Fluids Mech. Eng.,按功能转换分类：动力机械,能转换为机械功,流体机械,机械功转换为能,流体机械主要包含：压缩机、鼓风机、通风机、水泵、 水轮机及工程系统。是军工、石化、钢铁、冶金、发电、空调、制冷等行业中最关键旋转机械，其工作高效性、可靠性与安全性，直接关系到企业效益 。,引言,3,流体机械学科理论基础为叶轮机械气动热力学、流体力学、气体动力学、工质热物性、优化设计理论、强度与转子动力学、轴承理论、监测与控制、密封技术、现代测量技术等学科交叉。,由于叶轮机械技术涉及军工、航空、航天、国家重大装备如炼油、化肥、化纤、乙烯、发电领域，是一个国家整体技术实力反映，一直受到各国政府、企业、科研院校极大重视。,一 学科概况,4,流体机械分类,从应用领域分：,供能：汽轮机、燃气轮机、水轮机,耗能：压缩机、风机、水泵、油泵,能量回收：轴流、离心，热泵,增压器,从工作原理分：,轴流式：大流量、低压力,离心式：小流量、高压力,容积式,：,(,齿轮、罗兹、螺杆、回转、往复,),更小流量、更高压力。,5,叶轮机械,透平机,压缩机,离心式,轴流式,大流量、低压头,中小流量、高压头,国家重大装备中关键转动设备之一，如大型石化企业年产值在几十亿至几百亿以上，压缩机是关键设备之一。机组高效性与可靠性是非常重要。,叶轮机分类,6,流体机械在工业界应用,石化行业：离心压缩机，少量空气轴流压缩机,往复式压缩机，能量回收透平,电力行业：轴流与离心通风机，水泵、油泵，水轮机,钢铁、冶金、水泥、车辆、交通、采矿行业：压缩机、风机、水泵、油泵,制药、发酵、酒精行业：压缩机、风机、水泵,环保行业：污水处理曝气风机、带气水泵、脱硫用风机,制冷、空调行业：批量空调风机，隧道风机，制冷压缩机,南水北调、西气东输：天然气压缩机、水泵,燃气轮机中：轴流与离心压缩机,燃气与气体行业：轴流与离心压缩机,风力发电、潮汐发电、海水淡化,(,热泵、渗透膜,),行业特点：规模量大面广,7,叶轮式压缩机与透平应用,1),固定式,(,民用压缩机、透平、通风机、水轮机、水泵,),炼油工业：炼化、加氢，采油用压缩机 达,1000 ata,化工过程：获得高温、高压：,co2,压缩机 达几百,ata,矿山、冶金、钢铁：空分装置、能量回收透平,TRT,、氧压机，,烧结风机,发电用燃机、汽轮机、水轮机、通风机、水泵,空调与通风、干燥、净化、湿化系统用压缩机、通风机,2),移动式,(,军用,),离心压缩机,+,向心透平,轴流、离心压缩机,+,向心透平,(,轴流透平,),轴流压缩机,+,轴流透平,喷水推进，气垫船气垫与动力,8,流体机械国内外技术发展方向,先进气动力学、水动力学设计理论与优化方法：,基于模型级整机优化,直接优化设计,强度与转子动力学设计,气固、液固耦合设计,先进制造技术：五座标铣床、真空焊接、动平衡，轴承与密封,监测与控制系统,高速化、小型化、高压比、小流量,9,流体机械设计技术与发展,从一维、二维到三维流场计算,从定常设计到非定常设计,从以经验与实验数据为基础设计方法到三多设计,(,多设计工况、多约束条件、多目标函数,),与二非,(,非定常流与非稳定流动,),设计,非定常流动引起轴系振动与气固、流固耦合分析等,10,叶轮式机械持续发展因素,1,基础理论方面：叶轮机气动力学，,N-S,方程、紊流目前仍处于无解状态。,CFD,软件是在雷诺时均方程基础上发展，有很大缺陷。其根本问题是建立在表象法上，并非从物理上寻找本质东西，其次是数据过多，难以分析。,要解决实际问题很多：高温、高压、高效、高转速、高推重比，宽工况范围、小型化、安全可靠性要求，对设计、材料、加工工艺、安装调试，监测、控制提出越来越高要求。,11,叶轮式机械持续发展因素,2,叶轮机理论并不是一个纯理论。,由于叶轮机牵涉到军事工业与国家经济命脉行业，各大国均十分重视。如我国,863,投入与近年军工投入、西气东输，,21,套发电用燃机等投入。由于叶轮机是提供动力与能源，所以，无论其他如生物，基因，微电子技术发展，仍不能代替叶轮机作用。,目前大至,120,万千瓦单机，小至几十毫米见方微型燃机。很小几十微米水泵。发展空间很大。,12,麻省理工开发微型燃机,13,移动式离心压缩机发展,1,与轴流相比，流量小，压比高，效率较低，简单,来自航空推进技术与工业需求动力,航空推进技术引入推动了离心压缩机发展。英国,Frank Whittle,和德国,Hans JoachlmPabst von chain,分别造出了世界上第一台喷气发动机，他们都使用了离心压缩机,Von chainHeW3B,发动机与,1939,年,4,月,27,日装在亨克尔,78,式战斗机上完成了世界上第一次喷气飞行，安装,WhitttleWI,发动机幽灵式,E28,39,战机于,1941,年,5,月,15,日第一次飞行。,14,移动式离心压缩机发展,2,Frank Whittle,于,1930,年,7,月申请了喷气式发动机专利，图,4,和图,5,是,Whitttle WI,型发动机剖面图和转子图，装有一个两侧进气单级离心压缩机，由同轴单级透平带动，使用双面进气转子是为了防止转子尖部流速超音，并减少轴承承受轴向力，他曾设想制造单级压比为,4,压缩机，当时最高压比为,2.5,。,15,早期使用离心式压缩机与向心式透平燃机,16,移动式离心压缩机发展,4,二战后，离心式压缩机主要在小型飞行器上得到广泛应用，如直升机和一些小型飞机辅助动力装置。直升机性能取决于发动机性能，尤其式军用发动机要有紧凑结构和高推重比。,直升机最理想压缩机配置是单级压缩机，主要是简单，耐用。对没有回热器燃气轮机而言，需要具有高压比和高透平进口温度。这样，单级离心压缩机压比为,8,：,l,12,：,l,时，在合理叶尖间隙条件下，级效率需要达到,80,。,17,移动式离心压缩机发展,5,一个替代方法是压缩机前几级采用轴流式，最后一级或两级采用离心式，这种设计常用在公务机发动机上，下图是,RTM332,发动机，单台功率为,1369,千瓦，最大连续功率,1253,千瓦。主要用于,NH90,直升机。,用在稍大型飞机上,轴马力可达到,1750,。,18,固定式离心压缩机发展,1,大流量轴流压缩机一般效率应在,0.88,0.92,如,GHH,、,Sulzer,、陕鼓采用静叶可调，俄罗斯一家原用于军工生产基里夫工厂轴流压缩机效率高达,0.92,，涅瓦工厂达到,0.90,左右。,大流量离心压缩机效率达,0.85,以上，如欧美、日、俄诸厂家,Demag,、,Delava,、,Elliot,、,Sultzer,，新皮隆，日立，三菱，荏原，神户制钢所及国内沈鼓、陕鼓、锦西都能达到此水平左右。,大型炼油、乙烯、化肥、尼龙、等石化企业中对离心压缩机更苛刻要求是混合介质在压缩过程中物性变化,(,如,Cp,、粘度、可压缩性系数等,),掌握，特别在临界点附近急剧变化。,19,固定式离心压缩机发展,2,目前关键在于高压比、小流量压缩机效率。由于小流量压缩机管道很窄，对整个流道来讲，摩擦损失所占比重很大，因此，效率较难提高。另外，叶轮效率高低与叶轮某些尺寸有很大关系。,如轮廓比,Dh,、叶轮轴向长度,Z,、叶片形状在一定,D2,下如轮廓比,Dh,较大；叶片变短，叶片负荷增大，一般效率会下降；,Z,过小，会使流动转弯过急，效率也会下降 ,20,固定式离心压缩机发展,3,对单轴多级压气机来讲，轴径较细或两轴承间间距过大，会引起转子动力学问题因此对单轮多级压气机而言，在高压（即小流量）时,一般效率不可能过高,.,如沈鼓、俄罗斯、新皮隆模型级中,(b2/D20.01),效率约为,0.55,，就已经是国际中上水平了。,小流量高压头叶轮是主攻方向，各种怪叶型很多。,21,国内外民用界轴流、离心压缩机发展现状,国外公司,沈阳鼓风机厂：引进意大利新皮隆技术，,Demag,、日立部分技术,(,离心,),陕西鼓风机厂：引进瑞士,Sulzer,技术,(,轴流,),，俄技术,(,离心,),，三菱,TRT,上海鼓风机厂：引进动叶可调轴流通风机技术,江津增压机厂,: ABB,增压器，杭氧：离心、增压器、氧压机,南京燃气轮机厂：引进,GE,几个型号许可证，技术含量较低。,国内情况,GE, Siemens, Nuovo Pignone, Delava, Demag, GHH, Sultz, Elliot, Ingersoll-Rand, Dresser Rand, ABB,，涅瓦工厂，日立，三菱、荏原，神户制钢所等。,技术支持方面：如,NASA, NREC , Concept,等。,22,国内外轴流、离心压缩机设计方法现状,在叶轮机械气动力学理论发展中，以吴仲华先生,S1-S2,流面理论为代表我国一批专家，如刘高联、蔡睿贤、王仲奇、徐建中、蒋洪德等院士，作出了重大贡献，使我国在叶轮机械气动力学领域在国际上占据较高地位。,实际设计能力，由于受到材料、加工工艺限制，与国外发达国家是有差距。,设计方法与理论方面：,技术支持方面：如,NASA, NREC , Concept,等。,流场计算,CFD,软件：,Fluent, Numeca, CFX, Star CD, Phenix,23,2),设计技术方面,近十年来，国外对我国进行技术封锁，只出口产品，而不出售技术。而同时从,70,年代后期起引进石化大型成套装置，都面临更新换代、挖潜增效任务，需要开发自主气动设计方法与技术。,中国每年有,20,亿元以上叶轮式压缩机市场，国外公司进入，国内公司追求发展，己形成一定技术市场。,约,8,家购买,NREC,叶轮机械气动设计软件，使用情况并不理想。,3),发展方向：高压、高效、优良变工况性能、小型化,24,国内仍在运行进口大型机组水平,国内三十万吨合成氨（,75,年）机组水平,空压机（,101,J,）效率约,0.725,原料气压缩机（,102,J,）效率约,0.627,合成气压缩机（,103-J),效率约,0.709,氨压机，,CO2,压缩机效率,国内三十万吨乙烯装置（,75,年）机组水平,裂解气压缩机（,GB201,）效率约,0.757,丙烯压缩机（,GB501,）效率约,0.75,乙烯压缩机（,GB601,）效率约,0.68,目前国内外同类机组水平（,90,年代），效率要比,70,年代机组高,2,5,以上，因此有必要进行更新或改造,CO2,压缩机防喘、防振等问题改造。,25,离心式压缩机发展方向,最近,50,年，离心式压缩机得到了飞速发展，单级压比可达到,8:l,，现在仍需要更高效率压缩机。,气动设计方法改进：,相似设计法,设计理论方法,+,经验公式,实验方法,(,性能与内部流场,),26,机组先进性标志与发展方向,先进气动设计与强度与转子动力学设计,制造技术,(,五座标铣床、焊接,),与检测技术,可靠实际混合气体热物性计算,轴承、密封技术,良好中冷器与冷凝量计算,安全可靠运行保障系统,机组先进性标志主要包括机组高效率、大工况范围、高转速、小型化、组合化（低价格），精良制造技术，材料，安全可靠运行保障等内容,27,离心式压缩机关键技术发展,气动设计方法发展：使流体能很顺畅地流过,(,最小能量泛函原理,),物性计算,(,工艺过程中变化、换热、冷凝,),寻找一个较好,P-Q,匹配设计点,变工况性能曲线,喘振与失速线之预测,导致现代设计理论与方法：,三多与二非,28,二 流体机械气动设计理念发展中前沿问题,新一代反命题与优化命题研究,叶轮机械三多二非设计理念,以往设计：单设计工况，定常,三多设计：多设计工况，多目标函数、多约束条件,二非设计：非定常流动、非稳定流动设计,基于,CFD,叶轮机优化方法,基于最优控制理论离心压缩机现代设计方法,29,流体机械机械设计中前沿问题,强度与转子动力学设计，不平衡响应与调频,材料,气固耦合与颤振,制造技术,(,五座标铣床、焊接,),与检测技术，气动设计与 快速造型技术配合，激光成形等新技趋,可靠实际混合气体热物性计算,轴承,(,气体、磁悬浮,),、密封技术,(,高压干气,),良好中冷器与冷凝量计算,安全可靠运行保障系统、仿真,30,流体机械发展中所蕴藏科学问题,流体力学以及叶轮机械气,(,水,),动力学基本理论：,关键：流体是有粘、各向异性、非线性、非定常,N-S,方程不可解。,势流流动,-,理论流体力学、场论、复变函数、奇点、保角变换等发展到提出儒可夫斯基机翼理论。,粘流流动：实验流体力学,基于边界层假定,欧拉方程与个别,N-S,方程特殊解,N-S,方程数值解与紊流模型数值解。,31,流体机械发展中所蕴藏科学问题,N-S,方程数值解与紊流模型数值解。,非线性系统动力学固有问题,非定常流体动力学固有问题,非稳定流体动力学,跨、超音速流动,汽液：汽泡动力学，汽蚀与泥沙微团混合磨损问题,气固：气固磨损与分离中问题,微尺度部件中流动,新一代反命题与优化命题研究,(,存在性、唯一性,),32,N-S,方程数值解与紊流模型数值解：,关键：,N-S,方程本身可信性问题，数学上存在混沌、,分岔等一系列难点,N-S,方程雷诺平均方法可信性问题,雷诺方程模化可信性问题，,基于均匀、各向同性紊流实验数据,传输方程理念是一阶概念，对强非,线性系统是一种简单化处理,生成项、耗散项、源项模化，系数取法,计算格式选取，边界条件确定,大涡模拟,33,非线性系统动力学固有问题,非线性系统动力学固有问题：,三论,(,控制论、系统论、信息论,),非线性科学是新三论,(,突变论、耗散结构论、协同论,),基础,1),突变论：某一参数改变至临界值，系统状态出现突变，实质上是失稳。物理上如相变、物种灭亡、战争、南北极调换、流体中失速团演变、系统喘振、磁滞曲线、喘振环、材料断裂、放大器放大率突变等。数学上则认为是、微分方程进入失效固有问题如混沌、分岔、极限环或可能分数维结构。这是非线性系统固有特征,(,如磁滞曲线、喘振环不可能直接返回初始点,),，是避开还是利用,?,34,非线性系统动力学固有问题,2,非线性科学是新三论,(,突变论、耗散结构论、协同论,),基础,2),耗散结构论：系统可以在某些条件下稳定，没有耗散系统必然是不稳定，但耗散过大最终停止运动。因此对于一个远离平衡态开放系统,(,指有能量与质量交换，封闭系统一般指有能量交换而无质量交换,),通过与外部能量与质量交换，以及内部不可逆过程,(,耗散,),，无序非平衡态可能失稳，某些涨落可能被放大，而使原来混沌无序状态发生突变，可能出现稳定有序结构。这种有序结构,(,无序,有序,),形成与维持都需要能量耗散，称之为耗散结构。如,N-S,方程到雷诺方程到输运方程，就要制造一种生成、耗散、源项物理意义上趋向平衡结构，边界层内生成等于耗散假定等。,系统失稳条件是：远离平衡态，动力学过程中有适当非线性作用,35,非线性系统动力学固有问题,3,非线性科学是新三论,(,突变论、耗散结构论、协同论,),基础,3),协同论：大系统,(,可以是自然界、人类社会、金融系统等,),是许多分层次、互相联系、互相作用但又独立子系统组成。子系统有自发无序独立运动，但又能互相耦合。如种群数目减少与增生协同，如大系统多目标优化协调解。,36,非线性系统动力学固有问题,4,流体力学与流体机械内部流动中非线性问题,相变，如工质冷凝中气液相平衡问题实际是非平衡态问题,失速团生成、演变,喘振环,系统喘振,机翼叶栅大攻角工况立涡出现,?,旋转园环中涡带生成、演变,(,极限环,?),叶片表面紊流斑与自然界紊流斑现象,37,非定常流体动力学固有问题,1,速度与压力传播频率、相位变化,物性粘性、紊流粘性,(,流动结构,),对其影响,非定常流动数值计算中问题,非定常流动与固体件,(,烟囱、桥梁、高楼、叶片,),气固,耦合及颤振问题,非定常流动对叶片、机组性能影响,非定常效应利用：扩压空间摆动流、间隙流、强升力,38,非定常流体动力学固有问题,2,非定常流动设计问题：,连续有规律变化来流，如进气道畴变，径向导气涡壳进气,连续有规律固壁变化,如直升机翼， 大型空冷电站风机叶片，风力机叶片,攻角不敏感叶片设计,Clocking effects,研究与应用,(,性能、降噪,),非定常流动三维分离、极限流线，分离准则等,相邻叶栅间尾缘与前缘线空间位置分布之降噪,39,三 透平压缩机优化设计方法与原理,多级离心压缩机整体优化设计理论与方法,现代最优控制理论应用于叶轮机械设计,建立离心式压缩机喘振判断方法与准则,40,以往设计：,考虑单一设计工况点，定常流场分析,(,基于流线曲率法各种算法、,S1-S2,流面、,有限元法,),叶轮设计,强度计算,流场计算,静子设计,一维设计,现代设计方法：,多设计工况点,动、静干涉，进口非均匀、非定常,系统喘振预测、叶片颤振,整机或部件中实际粘性流动分析,(N-S,方程,),41,当今流体机械设计观念发展,以往设计：单设计工况，定常,三多设计,(,多设计工况，多目标函数、多约束,),二非设计,(,非定常、非稳定设计,),42,三多设计,(,多设计工况、多目标、多约束优化,),多设计工况：介质组份变化、冷却温度、冬夏环境、正常与开工阶段等、希望寻找模拟优化设计点。,多目标函数：高效、宽工况范围、低造价。从优化理论知，原则上多目标无最优解。希望寻找协调解,(,从可行解集中求取,),。,多约束条件：为了保证设计可靠性，必须满足强度、转子动力学与一些气动方面约束。带约束比无约束优化在数学上更困难。,达到优化设计目标：即不仅要有高单设计工况点效率，并且还应该有能满足多个设计工况设计以及高效变工况性能和大喘振裕度来考核机组综合先进性。,43,二非设计,(,非定常、非稳定,),非定常流动设计：叶轮机械内部动、静部件干涉、背压有规律或无规律波动、进气蜗壳，进气道中周向非均匀、非定常来流、对叶片气固耦合、颤振、级性能及整机性能作用与影响，应该在设计过程中，通过对叶片数、动静部件间隙与周向位置分布、动静叶叶型、扩压器、回流器、蜗壳设计等控制达到最好效果。,非稳定流动设计：主要针对失速及系统喘振，希望在设计阶段能有效地计算出可靠喘振警戒线与尽可能地扩大喘振裕度，并通过压缩系统稳定性分析得到当发生喘振时，回流强度、喘振频率等重要参数，为设置防喘回路与防喘阀开启速度控制提供依据。,44,压缩机喘振会导致严重事故,非稳定流体动力学,1,物理背景是非定常流动发展至某一临时参数，流动发生突变、非稳定流动,失速与喘振判断技术 二非设计,45,失速与喘振是压缩机特殊问题,主要解决三个关键问题,失速点、喘振点确定方法与准确度；,如何扩大喘振裕度,(,即扩大工况范围,),；,如何在设计前预测系统喘振参数，确,定防喘振策略。,非稳定流体动力学,2,46,级失速,扩压器中流态。,通过叶轮与扩压器进出口安装角与气流轨迹流动计算,提出实验数据关联准则：,Q,surge,/Q,des,=F(,i,a,2, b,3,/d,2, d,4,/d,2,),压缩系统喘振,(,已获得软件版权登记,),采用小扰动理论、集中参数模型，通过稳定性分析，确定喘振点、喘振频率、强度、回流量。,失速与喘振具体处理,非稳定流体动力学,3,47,辽河油田二缸,13,级进口天然气压缩机组设计改造项目,1,）气量减少,经常喘振,打回流维持生产,耗能,2,）分子量降低,出口压力降低,影响后续工艺,减产,用户要求在不改变机壳与转速条件下,:,提高出口压力，关闭回流阀,15,25%,73000Nm,3,/h,48,辽河油田进口天然气压缩机组改造后情况,改造后完全关闭回流阀，消除喘振与回流，节省能源，增加产量，使效益大增。 达到与超过新皮隆公司招标书上技术指标。,49,目前工厂设计：,1),以模型级为基础，匹配成机,2),整机与级都重新设计,难点：模型级是离散系统，但许多参数是连续系统，是混合系统优化,优化目标确定,:,效率高、工况大、价格低,多目标系统优化，一般无解,多设计工况情况：确定最优模拟工况点,多约束条件：增加求优难度、但保证了设计可行性,3-1,多级离心压缩机总体优化设计方法,50,多设计工况点： 多目标函数：多约束条件：,由于介质组份 效率最高气动、强度,进口温度、压力 工况范围最大转子动力学,中冷器温度变化等 造价最低等等,模拟最优工况点,折合效率,三多设计,51,状态变量：,第,k,个工况点结构变量：,整机效率：,整机压头：,喘振裕度：,整机工况范围,:,主要 指标,基于模型级数据库上总体优化模型,52,多工况优化命题建立，即是从,N,个设计工况中寻找达到目标函数极大值最优模拟工况。,模拟工况点 数学表达式：,满足以下约束：,一般约束：,工况约束：,多工况优化命题,53,最高效率，年经济收益、大工况范围,、低造价,。旨在考虑寻找一个合理优化目标与协调方式。,折合效率：,折合效率,目标函数,(,泛函,),讨论,54,进口流量满足用户要求,出口压力满足用户要求,单缸中级数在给定范围内,(,保证临界转速,),在一般叶片厚度下，圆周速度在给定范围内,各段中最小级数不得小于给定值,同一段中模型级直径相等，单缸不冷却时可以变化,前面一段中叶轮直径比后一段中叶轮直径大一档或相等,相邻两段中级数相等或只相差一级,各段出口温度必须在防爆防燃安全范围内，整机出口温度必须满足用户要求,各段直径在要求范围内,各段出口角在要求范围内,各段相对宽度在要求范围内,约束条件建立,1,55,每一工况安全工况范围满足用户要求,Q,min,(,k,),Q,min,pr,(,k,),0,Q,max,pr,(,k,),Q,max,(,k,),0 k=,1,2,N,工况约束条件：,约束条件建立,2,56,多级离心压缩机优化求优方法,选择优化具体算法,可求导,(,梯度法、共轭梯度法等,),直接求优法,(,单纯形法等,),计算中应注意,：优化方向，优化步长，状态方程形态，初值灵敏度分析与多次选取。,多目标函数协调优化,：我们在模型级基础上首次建立了混合系统（即系统中同时含有离散变量与连续变量）多目标优化非线性规划数学模型，并提出了工程实用约束条件和解决此类问题新方法,混合搜索法及协调关系法。,57,多设计工况点示意图,58,某富气压缩机改造实例,通过改变转速均能到达各工况点要求，并使每个工况点都有一定喘振裕度。,59,3-2.,现代最优控制理论应用于叶轮机械设计,最优控制理论,:,由自动控制,d/dt,机械设计,d/dr,优化命题：,代数方程描述系统，用数学规划理论解决,微分方程描述系统，用最优控制理论解决,常微分方程：集中参数最优控制,偏微分方程；分布参数最优控制,必须将由,N-S,方程控制流动过程结合叶轮机械特点，转化为由常微分方程描述流动系统，用集中参数最优控制理论解决压缩机优化设计命题。,60,设计方法内容,轴流式与混流式叶片扩压因子最优流型设计方法,扩压通道表面最优速度分布研究,离心三元叶轮与二元窄叶轮子午流道与叶片形线优化设计理论与方法,61,数学模型,引入等环面积曲线坐标 各截面计算方程：,流量方程：,3-2-1,轴流式与混流式叶片 扩压因子流型设计方法,62,首先将该方程中所有非独立未知量都化为,r,函数，经整理后得到一个未知变量一阶非线性常微分方程：,根据流型分布，采用隐式求解 ，求解上式,扩压因子流型建模,63,寻找最优扩压因子流型分布，在满足各约束,(,控制变量与状态变量、等式与不等式,),与初、终值条件下，使目标泛函（可为效率或总压比或功量）达到最大值。,数学模型,“扩充代价函数法”“连续变换术”,将不等式状态约束转化为无约束问题,扩压因子最优流型,64,数学模型,优化命题数学表述：,目标函数：,初始状态：,自由；,状态约束：,终端状态 ：,自由；,65,为了将不等式状态约束转化为无约束问题,：,采用“扩充代价函数法”“连续变换术”,转化后状态方程组：,引入,算子，组成,Hamiltons,函数 ，经过转换，原目标泛函转化为：,初端条件：,终端条件：,66,Pontryagin,极大值原理,动态规划法,在扩压器型线设计方面，基于最优控制理论建立控制固壁表面速度分布模型与合理可行目标泛函，在满足各种约束条件和初、终值条件下求取最优解 。,目标函数为,:,无分离最大扩压度,3-2-2,扩压通道表面最优速度分布研究,67,Pontryagin,极大值原理,1.,最优命题提法,2.,状态方程建立,3.,控制约束：,4.,边界条件 ：,5.,目标函数,:,J,=V(*),min,6.,哈密尔顿函数 ：,最优轨线为：,其中：,68,动态规划法,以 代替,S,作为自变量，则：,状态方程：,初端条件：,终端条件：,控制约束 ：,根据最优性原理导出递推方程 ：,状态约束 ：,69,扩压器壁面,(,不分离理论,),最优速度分布,分离区,不分离区,70,离心三元叶轮与二元窄叶轮子午流道与叶片形线统一优,化命题,将由,N-S,方程控制流动过程结合叶轮机械特点，转化为由常微分方程组描述流动系统，在此基础上建立优化命题，然后可用最优控制理论予以解决。,通过一些数学处理，将状态方程归化为相应最优控制形式。,将出口角,b,（,r,）作为控制变量，目标泛函为在给定子午型线 与叶片厚度分布条件下具有理论上无分离最大扩压度,并满足各种约束。,3-2-3,离心叶轮子午流道与叶片形线 优化设计理论与方法,71,a),离心叶轮子午流道与叶片形线统一优化设计理论与技术,以安装角,b,(r),为控制变量；,目标泛函为在给定子午型线与叶片厚度分布条件下，具有理论上无分离,最大扩压度，并满足各种约束。,b),流场分析,修正,K-,紊流模型动、静部件统一流动命题计算软件， 分析定常与非定常流场,叶片流道表面速度分布,72,基本确定叶轮尺寸后，,使用自行开发动、静部件统一流动命题计算软件， 分析离心叶轮内部定常与非定常流场。,该软件求解可压缩实际粘性流动,N-S,方程，采用虑及叶片曲率、叶道扩压度、旋转等因素影响修正,K-,紊流模型，及应用滑移网格、非结构网格与先进计算格式。,在设计计算中主要是控制涡位置与大小，并考虑非设计工况下流动情况以扩大喘振裕度。达到安全运行、变工况范围大目。,流场分析,73,基于,CFD,叶道参数化,优化设计,(PWD),理论与方法,参数化叶片优化设计最大优点，使所设计叶型表面连续可导，不仅使气流顺畅并且具有良好加工特性,提出流场特征值作为目标函数,3,）非线性系统寻优演化算法。 非线性规划，神经网络或遗传算法及新变种，如基于小生境算法,基于紊流模型,CFD,优化设计方法与,PIV,实验研究,74,轴流叶型,Bezier,曲线参数化表述,三次曲线族,水泵叶型,采用,Bezier,曲线、三次曲线族表述叶型，能够减小叶型控制点，缩小优化变量空间，并采用神经网络、改进遗传算法等高维非线性系统寻优方法较快地找到全局最优点。,75,设计工况下流场矢量,76,大流量工况 小流量工况,77,基于整场紊流计算,叶型优化,模型,在叶片数,Z,、内外径,、,对于低比转速离心泵，叶轮内摩擦损失在水力总损失中占有较大份量,当有流动分离时损失猛增，因此，只有流场没有出现流动分离叶型才能作为可行解,但是在旋转叶轮中流动分离是不可避免以何处无流动分离作为判别准则很重要,78,不同叶型泵轮内相对速度场与分离情况,C1,C5,C9,C13,79,基于,CFD,计算,叶型优化,模型,在叶片数,Z,、内外径相同条件下,、,目标函数：,约束条件：,针对设计工况点进行优化,80,4,个试验水泵叶轮内部流动三维,PIV,测量,叶轮五个位置,81,小流量工况点，,叶轮,C5,叶片处于,B,位置,小流量工况点，,叶轮,C9,叶片处于,B,位置,优化叶轮,C9,与近似单园弧叶片叶轮,C5,， 在同一,B,位置处,PIV,实测流场比较,82,轴流通风机,PDA,实验台测量,83,离心式压缩机,PIV,试验台,84,旋转离心叶轮内部流动,PIV,测量与计算,85,3-3,离心式压缩机喘振判断方法与准则,防喘振策略是系统安全运行重要保护,在设计过程中就能预测系统中喘振频率等重要参数，为防喘振系统设定提供数据。,a.,系统分析非定常动力学系统,（以小扰动理论为基础，用集中参数模型建立系统动力学模型，通过稳定性分析来确定喘振点等）,b.,级喘振判断准则,（叶轮与扩压器进、出口安装角和其流动理论分析与实验数据关联而建立喘振准则）,86,是以小扰动理论为基础，用集中参数模型建立复杂系统中喘振点计算动力学模型，通过对系统稳定性分析来确定喘振点。,典型离心压缩机简化系统,基本方程组：,87,冷凝过程对喘振点流量影响,饱和温度对稳定性影响,88,根据对叶轮与扩压器进、出口安装角和其流动理论分析与实验数据关联而建立喘振准则，使在压缩机设计阶段中就可以来判断喘振。,这些方法己在小型试验台与实际机组运行中得到验证，这是压缩机设计成功最重要保证。,级喘振判断准则,89,b,2,=90,径向三元叶轮单级离心压缩机开发,该工作在德国著名压缩机厂家,Demag,公司进行并经模型级试验。其多变效率达,84%,，比同类流量、压比,b,2,=65,三元叶轮效率还高，为高压比离心压缩机级国际最高水平。,90,中石油辽阳分公司,4,级空气压缩机,在不改变外壳和汽轮机情况下，增大流量,25%,、压力提高,10%,。该改造设计由锦西化机厂精心制作、安装、调试，从,2000,年年初，一次开车成功，运行至今。机组运行平稳可靠，最大振值,15,m,，满足改造要求，效率较进口原机提高至少,2,3%,以上 。,91,中石油辽阳分公司,7,级加氢压缩机改造项目,在不改变外壳和汽轮机情况下，对进口原机进行改造，增大流量,20%,、压力提高,8%,。从,2000,年年中，一次开车成功，运行至今。机组运行平稳可靠，最大振值,15,m,，满足改造要求。深受用户好评。,92,赤天化,101J,空气压缩机转子改造设计,原,进口机组为二缸,13,级空压机，要求在不改变外壳、扩压器、弯道、回流器和汽轮机情况下，流量与压比略增,3,5%,及提高效率。在改造设计中，低压缸及高压缸第一段全部采用三元叶轮，低压缸第二段采用自行开发性能优秀小流量窄叶轮。一次开车成功，运行至今。机组运行平稳可靠，最大振值,15,m,，满足改造要求，效率比原机提高,2%,；深受用户好评。,93,微电子机械系统（,MEMS,）：单,是微电子、精密机械、生化和信息处理等高技术有机整合。,欧、美、日和中国在,MEMS,方面研究,微管道研究现状：,外特性试验与修正,内部流动计算与,MicroPIV,实验研究,模型确定与修正,旋转部件流动分析,MEMS,背景下微尺度部件中流动与传热,94,微尺度流动数值模拟与实验,单管,分叉管,(,射流元件,),旋转干气密封,95,血管内红血球绕流流场,PIV,测试实验,流场,PIV,照片,红血球绕流,MicroPIV,96,a.,连续介质模型：边界速度滑移条件可对大尺度连续介质理论进行修正，经算例验证，可将其应用于微尺度管道流场计算当中。,b.,分子动力学模型：流动气体稀薄性低于一定水平（,110,4,个分子以下），计算才有可能。,微尺度流动中模型问题,97,微管道流动理论修正模型,微管道内气体流动理论修正模型,一阶滑移模型,微管道内液体（水）流动理论修正模型,一阶滑移模型,指数修正,粗糙度修正,98,1.,对微管道、平板微间隙一维、二维流体流动进行了系统理论研究工作。,一维流体流动,A,一阶滑移模型,引入,Kn,数,(,努森,),B,粘性系数,指数修正模型,对,作指数修正,C,粘性系数,粗糙度修正模型,引入粗糙度粘性系数,微管道、平板微间隙粘性系数,修正模型,99,液体（水）一阶滑移模型修正,P,（,MPa),4,6,10,22,30,Q(NL/s),0.0913,0.9127,0.3955,1.0039,1.4095,C*,C*,0.9125,0.9246,L=47.42mm,C*,C*,0.965,0.9778,L=34.77mm,修正结果：,100,101,通常以,Kn,数大小来划分微尺度流动所处流动区域：,时，,Navier-Stokes,方程及无滑移边界条件；,时，,Navier-Stokes,方程及滑移边界条件；,时，过渡区；,时，自由分子流。,微尺度流动区域划分,102,应用微尺度流动滑移模型，,建立了二维微槽道内气体流动计算与程序,其中压力修正采用,SIMPLE,算法，,亚松弛迭代求解。,二维流体流动滑移模型,103,连续性方程：,X,方向动量方程：,Y,方向动量方程：,流动方程,104,固壁边界条件：,努森数是分子自由行程与特征尺度,L,比值：,切向动量调节系数,Kn,努森数,D,h,微槽道的水力直径,固壁边界条件,105,微尺度槽道示意图,计算结果与实验结果比较,微尺度槽道,106,Kn,数速度分布影响,对速度分布影响,Re,数对速度分布影响,微尺度槽道内速度分布,107,几种形式实验件,射流放大器与分叉管,108,干气密封微间隙内气体流动理论研究,主要研究目及内容：确定在微尺度条件下干气密封内流动状态及微尺度效应对其性能产生影响，并选择合理计算方法；槽深度,5m,10m,介质为空气，主要针对不同形式槽及不同槽深。,109,谢 谢,110,