基于RANS-LES混合方法的軸流壓氣機數(shù)值模擬與熵產(chǎn)損失模型研究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代工業(yè)體系中，軸流壓氣機作為核心動力部件，廣泛應(yīng)用于能源、航空航天、航海以及石油化工等眾多關(guān)鍵領(lǐng)域，對各行業(yè)的發(fā)展起著舉足輕重的作用。在能源領(lǐng)域，軸流壓氣機是燃氣輪機的關(guān)鍵組件，其性能直接影響燃氣輪機的熱效率和發(fā)電效率。隨著全球?qū)η鍧嵞茉葱枨蟮牟粩嘣鲩L，高效的軸流壓氣機能夠提高能源轉(zhuǎn)換效率，減少能源浪費和污染物排放，對于實現(xiàn)可持續(xù)能源發(fā)展戰(zhàn)略具有重要意義。在航空航天領(lǐng)域，軸流壓氣機是航空發(fā)動機的核心部件之一，其性能優(yōu)劣直接決定了發(fā)動機的推力、燃油經(jīng)濟性以及可靠性，進而影響飛行器的航程、速度和機動性等關(guān)鍵性能指標(biāo)。高性能的軸流壓氣機能夠使飛機在不同飛行條件下保持良好的性能，滿足航空運輸和國防安全的需求。然而，軸流壓氣機在實際運行過程中，面臨著復(fù)雜的流動現(xiàn)象和各種損失機制，導(dǎo)致其性能提升面臨諸多挑戰(zhàn)。其中，內(nèi)部流場的復(fù)雜性是影響軸流壓氣機性能的關(guān)鍵因素之一。在壓氣機內(nèi)部，氣流經(jīng)歷了復(fù)雜的三維、非定常流動過程，包括邊界層分離、激波與邊界層相互作用、葉頂泄漏渦等現(xiàn)象，這些復(fù)雜流動不僅增加了流動損失，還可能引發(fā)不穩(wěn)定工況，如喘振和旋轉(zhuǎn)失速，嚴(yán)重威脅壓氣機的安全穩(wěn)定運行。同時，壓氣機內(nèi)部的能量損失也是制約其性能提升的重要因素。能量損失主要包括摩擦損失、沖擊損失、泄漏損失以及尾跡損失等，這些損失導(dǎo)致壓氣機的等熵效率降低，功耗增加，從而降低了整個系統(tǒng)的能源利用效率。為了深入理解軸流壓氣機內(nèi)部的復(fù)雜流動現(xiàn)象和損失機制，提高其性能和可靠性，數(shù)值模擬和熵產(chǎn)損失模型構(gòu)建成為重要的研究手段。數(shù)值模擬方法，特別是計算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)的發(fā)展，為研究軸流壓氣機內(nèi)部流場提供了強大的工具。通過數(shù)值模擬，可以詳細地分析壓氣機內(nèi)部的氣流速度、壓力、溫度等參數(shù)的分布情況，揭示復(fù)雜流動現(xiàn)象的物理本質(zhì)和演化規(guī)律，為壓氣機的設(shè)計優(yōu)化提供理論依據(jù)。而熵產(chǎn)損失模型則從熱力學(xué)第二定律的角度出發(fā)，通過計算熵產(chǎn)來定量評估壓氣機內(nèi)部的各種損失，能夠清晰地識別出損失產(chǎn)生的區(qū)域和原因，為針對性地降低損失、提高效率提供有效的指導(dǎo)。傳統(tǒng)的雷諾平均納維-斯托克斯（RANS）方法在模擬軸流壓氣機內(nèi)部流動時，雖然計算效率較高，但對于復(fù)雜的分離流動和非定常現(xiàn)象的模擬能力有限，難以準(zhǔn)確捕捉到小尺度渦結(jié)構(gòu)和流動細節(jié)，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實際情況存在一定偏差。而大渦模擬（LES）方法雖然能夠更準(zhǔn)確地模擬非定常流動和復(fù)雜渦結(jié)構(gòu)，但由于其對計算資源的要求極高，計算成本高昂，在實際工程應(yīng)用中受到很大限制。RANS-LES混合方法結(jié)合了RANS方法的高效率和LES方法的高精度特點，能夠在合理的計算資源下，更準(zhǔn)確地模擬軸流壓氣機內(nèi)部的復(fù)雜流動，為解決軸流壓氣機的流動模擬問題提供了新的途徑。在熵產(chǎn)損失模型方面，目前的研究雖然取得了一定進展，但仍存在一些問題和不足?，F(xiàn)有模型在某些復(fù)雜工況下的準(zhǔn)確性和適用性有待進一步提高，對于一些特殊的損失機制，如多相流條件下的損失、高溫高壓環(huán)境下的損失等，還缺乏深入的研究和有效的建模方法。此外，熵產(chǎn)損失模型與數(shù)值模擬方法的耦合還不夠完善，如何更準(zhǔn)確地將熵產(chǎn)計算融入到數(shù)值模擬中，實現(xiàn)對壓氣機性能的全面評估和優(yōu)化，也是亟待解決的問題。綜上所述，開展基于RANS-LES混合方法的軸流壓氣機數(shù)值模擬及熵產(chǎn)損失模型構(gòu)建研究具有重要的理論意義和實際工程價值。通過本研究，旨在揭示軸流壓氣機內(nèi)部復(fù)雜流動的物理機制，建立準(zhǔn)確的熵產(chǎn)損失模型，為軸流壓氣機的設(shè)計優(yōu)化和性能提升提供堅實的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，推動相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進步和發(fā)展。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1RANS-LES混合方法研究進展RANS-LES混合方法的發(fā)展起源于對傳統(tǒng)湍流模擬方法局限性的突破需求。傳統(tǒng)的RANS方法通過對Navier-Stokes方程進行雷諾平均，將湍流脈動分解為時均值和脈動值，在求解過程中對脈動項進行?；幚?。這種方法在處理簡單流動問題時，計算效率較高，能夠快速給出工程上可用的結(jié)果，因此在早期的流體力學(xué)計算中得到了廣泛應(yīng)用。然而，當(dāng)面對復(fù)雜的流動現(xiàn)象，如邊界層分離、強逆壓梯度下的流動以及具有強烈非定常特性的流動時，RANS方法的局限性就凸顯出來。由于其對湍流脈動的平均化處理，RANS方法無法準(zhǔn)確捕捉到小尺度渦結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化和非定常特性，導(dǎo)致在模擬這些復(fù)雜流動時存在較大誤差。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展和對湍流物理機制研究的深入，LES方法應(yīng)運而生。LES方法直接對大尺度渦進行數(shù)值求解，而對小尺度渦采用亞格子模型進行模化，能夠更準(zhǔn)確地模擬湍流的非定常特性和復(fù)雜渦結(jié)構(gòu)。但是，LES方法對計算資源的要求極高，需要在空間和時間上進行精細的離散，計算成本高昂，這使得其在大規(guī)模工程應(yīng)用中受到很大限制。為了結(jié)合RANS方法的高效率和LES方法的高精度特點，RANS-LES混合方法被提出。早期的RANS-LES混合方法以脫體渦模擬（DES）為代表。DES方法于1997年由Spalart等人提出，其基本思想是在近壁區(qū)域采用RANS模型，利用RANS方法在處理壁面邊界層時計算效率高的優(yōu)勢；在遠離壁面的分離區(qū)域，將RANS模型方程轉(zhuǎn)化為類亞格子模型的形式，降低湍流黏性，實現(xiàn)類似LES的隱式濾波效果，從而捕捉分離區(qū)域的大尺度非定常渦結(jié)構(gòu)。DES方法在一定程度上改善了對復(fù)雜分離流動的模擬能力，在一些工程問題中取得了較好的應(yīng)用效果，如對鈍體繞流、翼型失速等問題的模擬。然而，DES方法也存在一些問題，例如在RANS區(qū)和LES區(qū)的過渡區(qū)域，由于模型的切換和物理量的不匹配，容易出現(xiàn)非物理的過渡現(xiàn)象，即所謂的“灰區(qū)”問題，這會影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了解決DES方法存在的問題，后續(xù)出現(xiàn)了一系列改進的RANS-LES混合方法。改進的延遲脫體渦模擬（IDDES）方法在DES的基礎(chǔ)上，通過引入額外的函數(shù)和修正項，對RANS區(qū)和LES區(qū)的過渡進行了更精細的控制。IDDES方法能夠更好地適應(yīng)不同的流動工況，減少“灰區(qū)”的影響，提高了對復(fù)雜流動的模擬精度。自適應(yīng)局部渦模擬（ALES）方法則根據(jù)流場的局部特征，如湍流強度、渦量等，動態(tài)地調(diào)整RANS區(qū)和LES區(qū)的范圍。這種方法能夠更靈活地應(yīng)對不同流動區(qū)域的特點，在保證計算精度的同時，提高了計算效率。嵌入式RANS/LES混合方法不再依賴于改進后的湍流模型本身或網(wǎng)格疏密來自動劃分流場中的RANS區(qū)域和LES區(qū)域，而是通過對流動現(xiàn)象的預(yù)估，人為將LES區(qū)域嵌入到RANS區(qū)域。這樣可以使RANS區(qū)過渡到LES區(qū)的交界面盡可能與流向垂直，方便合理附加額外的湍流脈動信息，避免RANS區(qū)對LES區(qū)解析湍流發(fā)展的污染和抑制。在軸流壓氣機模擬中，RANS-LES混合方法也得到了廣泛應(yīng)用。一些研究采用DES方法對軸流壓氣機內(nèi)部的非定常流動進行模擬，能夠捕捉到葉頂泄漏渦、尾跡渦等復(fù)雜渦結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，分析其對壓氣機性能的影響。然而，由于DES方法本身的局限性，在模擬軸流壓氣機復(fù)雜的端壁流動和多葉片排相互作用時，仍然存在一定的誤差。采用IDDES方法的研究則在一定程度上改善了模擬效果，更準(zhǔn)確地預(yù)測了壓氣機內(nèi)部的流動損失和效率變化。ALES方法在軸流壓氣機模擬中的應(yīng)用，能夠根據(jù)壓氣機內(nèi)部不同區(qū)域的流動特征，自動調(diào)整模擬方法，提高了模擬的準(zhǔn)確性和效率。嵌入式RANS/LES混合方法在軸流壓氣機模擬中，通過合理設(shè)置LES區(qū)域，能夠更精細地模擬局部復(fù)雜流動，如葉片表面的邊界層分離和葉頂間隙流動等。不同的RANS-LES混合方法在軸流壓氣機模擬中各有優(yōu)劣，如何根據(jù)具體的研究需求和計算資源，選擇合適的混合方法，仍然是當(dāng)前研究的重點之一。1.2.2軸流壓氣機數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀軸流壓氣機數(shù)值模擬的發(fā)展歷程伴隨著計算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)的不斷進步。早期的軸流壓氣機數(shù)值模擬主要基于簡單的一維和二維模型。一維模型將壓氣機視為多個串聯(lián)的控制體，通過求解一維的連續(xù)性方程、動量方程和能量方程，來計算壓氣機的總體性能參數(shù)，如壓比、效率等。這種方法計算簡單、速度快，能夠快速給出壓氣機的大致性能，但無法考慮壓氣機內(nèi)部的三維流動細節(jié)和非定常特性，對于復(fù)雜的流動現(xiàn)象，如葉頂泄漏、端壁邊界層分離等，無法準(zhǔn)確模擬。二維模型則在一維模型的基礎(chǔ)上，考慮了壓氣機葉片的二維形狀和流場的二維分布，能夠?qū)簹鈾C內(nèi)部的一些二維流動特征進行分析，如葉片表面的壓力分布、氣流角的變化等。然而，二維模型仍然忽略了壓氣機內(nèi)部的三維流動效應(yīng)，對于實際的三維復(fù)雜流動，模擬結(jié)果存在較大誤差。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，三維數(shù)值模擬方法逐漸成為軸流壓氣機研究的主要手段。基于雷諾平均納維-斯托克斯（RANS）方程的數(shù)值模擬方法在軸流壓氣機研究中得到了廣泛應(yīng)用。通過選擇合適的湍流模型，如k-ε模型、k-ω模型、SSTk-ω模型等，RANS方法能夠?qū)S流壓氣機內(nèi)部的平均流場進行較為準(zhǔn)確的模擬，計算出壓氣機內(nèi)部的速度、壓力、溫度等參數(shù)的分布情況，分析壓氣機的性能和損失機制。在模擬軸流壓氣機的設(shè)計工況時，RANS方法能夠給出與實驗結(jié)果較為吻合的性能參數(shù)，為壓氣機的初步設(shè)計和分析提供了有力的工具。然而，如前所述，RANS方法在處理復(fù)雜的非定常流動和小尺度渦結(jié)構(gòu)時存在局限性，對于軸流壓氣機內(nèi)部的一些復(fù)雜流動現(xiàn)象，如葉頂泄漏渦的非定常演化、喘振和旋轉(zhuǎn)失速等不穩(wěn)定工況的模擬，RANS方法的精度難以滿足要求。大渦模擬（LES）方法由于能夠直接求解大尺度渦的運動，在模擬軸流壓氣機內(nèi)部的非定常流動和復(fù)雜渦結(jié)構(gòu)方面具有獨特的優(yōu)勢。通過LES方法，可以清晰地捕捉到葉頂泄漏渦的產(chǎn)生、發(fā)展和破裂過程，以及尾跡渦與下游葉片的相互作用等非定?，F(xiàn)象，為深入理解軸流壓氣機內(nèi)部的流動機制提供了更準(zhǔn)確的信息。但是，LES方法的計算成本極高，需要大量的計算資源和時間，這限制了其在實際工程中的廣泛應(yīng)用。目前，LES方法主要應(yīng)用于對軸流壓氣機內(nèi)部復(fù)雜流動現(xiàn)象的機理研究，通過對特定工況下的精細模擬，揭示流動的物理本質(zhì)和規(guī)律。除了RANS和LES方法，直接數(shù)值模擬（DNS）方法理論上可以精確求解Navier-Stokes方程，無需任何湍流模型，能夠完全解析湍流的所有尺度。然而，由于DNS方法對計算資源的要求極高，目前僅適用于低雷諾數(shù)、簡單幾何形狀的流動模擬，在軸流壓氣機這種高雷諾數(shù)、復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的實際工程應(yīng)用中，DNS方法還面臨著巨大的挑戰(zhàn)。在實際研究中，為了綜合不同數(shù)值模擬方法的優(yōu)勢，多尺度模擬方法也逐漸被應(yīng)用于軸流壓氣機的研究。多尺度模擬方法結(jié)合了不同尺度的模擬技術(shù)，如將RANS方法與LES方法相結(jié)合，或者將LES方法與DNS方法相結(jié)合，在不同的流動區(qū)域采用不同的模擬方法，以達到在合理的計算資源下，盡可能準(zhǔn)確地模擬軸流壓氣機內(nèi)部復(fù)雜流動的目的。當(dāng)前軸流壓氣機數(shù)值模擬研究雖然取得了顯著進展，但仍然存在一些問題和挑戰(zhàn)。在模型精度方面，現(xiàn)有的湍流模型和數(shù)值模擬方法在某些復(fù)雜工況下，如壓氣機的失速工況、跨聲速流動工況等，仍然無法準(zhǔn)確模擬流動現(xiàn)象，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實際情況存在較大偏差。在計算效率方面，隨著對壓氣機內(nèi)部流動模擬精度要求的提高，計算量不斷增加，如何在保證計算精度的前提下，提高計算效率，仍然是亟待解決的問題。數(shù)值模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的對比驗證也是一個重要問題，由于實驗測量存在一定的誤差和不確定性，如何準(zhǔn)確地將數(shù)值模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)進行對比分析，驗證模擬方法的準(zhǔn)確性和可靠性，需要進一步的研究和探索。1.2.3熵產(chǎn)損失模型研究現(xiàn)狀熵產(chǎn)損失模型的研究源于熱力學(xué)第二定律，旨在通過計算熵產(chǎn)來定量評估系統(tǒng)中的不可逆損失。在流體機械領(lǐng)域，熵產(chǎn)損失模型的發(fā)展為深入理解能量損失機制提供了重要手段。早期的熵產(chǎn)損失模型主要基于簡單的理論分析和經(jīng)驗公式，對流體機械內(nèi)部的能量損失進行初步估算。這些模型通常假設(shè)流體為理想氣體，流動為一維定常流動，通過對流動過程中的熵變進行簡單計算，來評估能量損失。雖然這些早期模型在一定程度上能夠反映能量損失的大致情況，但由于其假設(shè)條件過于簡化，無法準(zhǔn)確考慮流體機械內(nèi)部復(fù)雜的三維流動和非定常特性，對于實際工程應(yīng)用的指導(dǎo)意義有限。隨著對流體機械內(nèi)部流動認識的深入和計算技術(shù)的發(fā)展，熵產(chǎn)損失模型逐漸得到完善和改進。在葉輪機械領(lǐng)域，研究者們開始考慮流體的粘性、傳熱以及復(fù)雜的流動結(jié)構(gòu)對熵產(chǎn)的影響。通過建立更精確的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合計算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)，能夠更準(zhǔn)確地計算流體機械內(nèi)部的熵產(chǎn)分布，分析能量損失的來源和分布規(guī)律。在離心壓縮機中，通過數(shù)值模擬結(jié)合熵產(chǎn)分析，發(fā)現(xiàn)葉輪內(nèi)部的摩擦損失和沖擊損失是導(dǎo)致熵產(chǎn)增加的主要因素，而擴壓器中的流動分離和二次流則進一步加劇了能量損失。在軸流泵中，研究表明葉頂泄漏渦和尾跡渦的相互作用會產(chǎn)生較大的熵產(chǎn)，是影響泵效率的重要因素。在軸流壓氣機領(lǐng)域，熵產(chǎn)損失模型的應(yīng)用研究也取得了一定的進展。一些研究基于RANS模擬結(jié)果，結(jié)合熵產(chǎn)理論，分析了軸流壓氣機內(nèi)部不同區(qū)域的熵產(chǎn)分布，揭示了能量損失的主要來源。研究發(fā)現(xiàn)，壓氣機的端壁區(qū)域和葉頂間隙區(qū)域是熵產(chǎn)的高發(fā)區(qū)域，主要原因是這些區(qū)域存在較強的邊界層分離和泄漏流動。通過優(yōu)化葉片的設(shè)計和端壁的處理，可以有效降低這些區(qū)域的熵產(chǎn)，提高壓氣機的效率。此外，一些研究還考慮了壓氣機內(nèi)部的傳熱過程對熵產(chǎn)的影響，建立了熱-流耦合的熵產(chǎn)損失模型。在高溫高壓的工作環(huán)境下，壓氣機內(nèi)部的氣體壓縮過程會伴隨著顯著的傳熱現(xiàn)象，傳熱過程中的不可逆性會導(dǎo)致熵產(chǎn)增加。通過考慮傳熱對熵產(chǎn)的影響，能夠更全面地評估壓氣機的能量損失，為壓氣機的熱管理和性能優(yōu)化提供更準(zhǔn)確的依據(jù)。盡管熵產(chǎn)損失模型在軸流壓氣機研究中取得了一定的成果，但仍然存在一些問題和挑戰(zhàn)。一方面，現(xiàn)有模型在處理復(fù)雜流動現(xiàn)象，如多相流、激波與邊界層相互作用等時，準(zhǔn)確性和適用性有待進一步提高。在航空發(fā)動機的軸流壓氣機中，可能會出現(xiàn)氣-固兩相流的情況，顆粒的存在會改變流體的流動特性和能量損失機制，現(xiàn)有的熵產(chǎn)損失模型難以準(zhǔn)確描述這種復(fù)雜的多相流情況。另一方面，熵產(chǎn)損失模型與數(shù)值模擬方法的耦合還不夠完善。在實際應(yīng)用中，如何將熵產(chǎn)計算準(zhǔn)確地融入到數(shù)值模擬中，實現(xiàn)對壓氣機性能的實時評估和優(yōu)化，還需要進一步的研究和探索。此外，由于熵產(chǎn)損失模型的計算涉及到多個物理量的耦合，計算過程較為復(fù)雜，如何提高計算效率，也是需要解決的問題之一。1.3研究內(nèi)容與創(chuàng)新點1.3.1研究內(nèi)容RANS-LES混合方法的優(yōu)化與驗證：對現(xiàn)有的RANS-LES混合方法進行深入研究，分析其在軸流壓氣機模擬中的優(yōu)勢和局限性。針對軸流壓氣機內(nèi)部復(fù)雜流動的特點，對混合方法進行優(yōu)化，如改進RANS區(qū)和LES區(qū)的過渡準(zhǔn)則，提高模型在不同流動區(qū)域的適應(yīng)性。通過與實驗數(shù)據(jù)和其他數(shù)值模擬方法的結(jié)果進行對比，驗證優(yōu)化后的RANS-LES混合方法在模擬軸流壓氣機內(nèi)部流動時的準(zhǔn)確性和可靠性。軸流壓氣機內(nèi)部復(fù)雜流動的數(shù)值模擬：運用優(yōu)化后的RANS-LES混合方法，對軸流壓氣機在不同工況下的內(nèi)部流動進行數(shù)值模擬。詳細分析壓氣機內(nèi)部的三維、非定常流場，包括葉片表面的邊界層發(fā)展、葉頂泄漏渦的產(chǎn)生與演化、尾跡渦與下游葉片的相互作用等復(fù)雜流動現(xiàn)象。研究不同工況，如設(shè)計工況、非設(shè)計工況、近失速工況下，軸流壓氣機內(nèi)部流場的變化規(guī)律，以及這些流動現(xiàn)象對壓氣機性能的影響。熵產(chǎn)損失模型的構(gòu)建與分析：基于熱力學(xué)第二定律和計算流體力學(xué)理論，考慮軸流壓氣機內(nèi)部的粘性耗散、傳熱、激波等不可逆因素，構(gòu)建適用于軸流壓氣機的熵產(chǎn)損失模型。通過數(shù)值模擬結(jié)果，計算壓氣機內(nèi)部不同區(qū)域的熵產(chǎn)分布，分析能量損失的來源和分布規(guī)律。研究熵產(chǎn)與壓氣機性能參數(shù)，如壓比、效率之間的定量關(guān)系，為壓氣機的性能評估和優(yōu)化提供理論依據(jù)。RANS-LES混合方法與熵產(chǎn)損失模型的耦合應(yīng)用：將優(yōu)化后的RANS-LES混合方法與構(gòu)建的熵產(chǎn)損失模型進行耦合，實現(xiàn)對軸流壓氣機內(nèi)部流動和能量損失的同步模擬和分析。通過耦合模型，深入研究壓氣機內(nèi)部復(fù)雜流動與能量損失之間的相互作用機制，如葉頂泄漏渦的發(fā)展如何導(dǎo)致熵產(chǎn)增加，熵產(chǎn)的分布又如何影響壓氣機的性能?；隈詈夏Ｐ偷慕Y(jié)果，提出針對性的壓氣機性能優(yōu)化策略，如通過改進葉片設(shè)計或端壁處理，降低熵產(chǎn)損失，提高壓氣機的效率和穩(wěn)定性。實驗驗證與工程應(yīng)用研究：搭建軸流壓氣機實驗平臺，對數(shù)值模擬和模型計算的結(jié)果進行實驗驗證。通過實驗測量壓氣機的性能參數(shù)，如壓比、效率、流量等，以及內(nèi)部流場的參數(shù)，如壓力、速度、溫度等，與數(shù)值模擬和模型計算的結(jié)果進行對比分析，進一步驗證模型的準(zhǔn)確性和可靠性。將研究成果應(yīng)用于實際工程中的軸流壓氣機設(shè)計和優(yōu)化，如航空發(fā)動機軸流壓氣機、燃氣輪機軸流壓氣機等，通過實際案例分析，評估研究成果在工程應(yīng)用中的效果和價值，為軸流壓氣機的工程設(shè)計和性能提升提供技術(shù)支持。1.3.2創(chuàng)新點RANS-LES混合方法的創(chuàng)新改進：提出一種新的RANS-LES混合方法的過渡準(zhǔn)則，基于局部流動特征參數(shù)，如湍流強度、渦量等，實現(xiàn)RANS區(qū)和LES區(qū)的自適應(yīng)過渡，提高了混合方法在復(fù)雜流動區(qū)域的模擬精度和穩(wěn)定性。改進了混合方法中RANS模型和LES模型的耦合方式，通過引入一種新的界面處理方法，減少了RANS區(qū)和LES區(qū)之間物理量的不匹配問題，降低了非物理過渡現(xiàn)象的出現(xiàn)，提高了模擬結(jié)果的可靠性。熵產(chǎn)損失模型的創(chuàng)新構(gòu)建：在熵產(chǎn)損失模型中，考慮了軸流壓氣機內(nèi)部多相流和高溫高壓環(huán)境對能量損失的影響，引入了新的物理參數(shù)和修正項，提高了模型在復(fù)雜工況下的準(zhǔn)確性和適用性。提出了一種基于機器學(xué)習(xí)的熵產(chǎn)損失模型修正方法，通過對大量數(shù)值模擬數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)，自動調(diào)整模型參數(shù)，實現(xiàn)對熵產(chǎn)損失的更準(zhǔn)確預(yù)測，增強了模型的自適應(yīng)能力。耦合應(yīng)用的創(chuàng)新實踐：首次將改進后的RANS-LES混合方法與創(chuàng)新構(gòu)建的熵產(chǎn)損失模型進行深度耦合，實現(xiàn)了對軸流壓氣機內(nèi)部復(fù)雜流動和能量損失的全面、準(zhǔn)確模擬，為軸流壓氣機的性能優(yōu)化提供了更有力的工具?；隈詈夏Ｐ偷慕Y(jié)果，提出了一種新的軸流壓氣機性能優(yōu)化策略，即通過控制熵產(chǎn)分布來優(yōu)化壓氣機的內(nèi)部流動，從而提高壓氣機的效率和穩(wěn)定性，為軸流壓氣機的設(shè)計和優(yōu)化提供了新的思路和方法。二、RANS-LES混合方法理論基礎(chǔ)2.1RANS與LES方法概述2.1.1RANS方法原理與特點雷諾平均納維-斯托克斯（RANS）方法是目前工程中應(yīng)用最為廣泛的湍流模擬方法之一。其基本原理是對瞬時的納維-斯托克斯（N-S）方程進行時間平均處理，將流場中的物理量分解為時均值和脈動值兩部分。以不可壓縮流體的N-S方程為例，瞬時速度u_i可表示為u_i=\overline{u}_i+u_i'，其中\(zhòng)overline{u}_i為時均速度，u_i'為脈動速度。將其代入N-S方程并進行時間平均，可得雷諾平均N-S方程：\frac{\partial\overline{u}_i}{\partialx_i}=0\frac{\partial\overline{u}_i}{\partialt}+\overline{u}_j\frac{\partial\overline{u}_i}{\partialx_j}=-\frac{1}{\rho}\frac{\partial\overline{p}}{\partialx_i}+\nu\frac{\partial^2\overline{u}_i}{\partialx_j\partialx_j}-\frac{\partial\overline{u_i'u_j'}}{\partialx_j}其中，\rho為流體密度，p為壓力，\nu為運動粘性系數(shù)。方程中多出的-\frac{\partial\overline{u_i'u_j'}}{\partialx_j}項為雷諾應(yīng)力項，它反映了湍流脈動對時均流動的影響。由于雷諾應(yīng)力項包含未知的脈動速度乘積，使得方程不封閉，因此需要引入湍流模型對其進行?；幚?。在眾多湍流模型中，常用的有一方程模型和兩方程模型。一方程模型以Spalart-Allmaras（S-A）模型為代表，該模型通過求解一個關(guān)于湍流粘性系數(shù)的輸運方程來封閉雷諾應(yīng)力項。S-A模型形式相對簡單，計算量較小，在一些簡單流動問題，如邊界層流動的模擬中表現(xiàn)出較好的性能。兩方程模型中應(yīng)用最廣泛的是k-ε模型和k-ω模型。k-ε模型通過求解湍動能k和湍動能耗散率\varepsilon的輸運方程來確定雷諾應(yīng)力項。k-ε模型在充分發(fā)展的湍流流動中具有較好的預(yù)測能力，在許多工程問題，如管道流動、射流流動等的模擬中得到了廣泛應(yīng)用。k-ω模型則求解湍動能k和比耗散率\omega的輸運方程，它在近壁區(qū)域具有更好的性能，對邊界層的模擬更為準(zhǔn)確。此外，還有結(jié)合了k-ε模型和k-ω模型優(yōu)點的剪切應(yīng)力輸運（SST）k-ω模型，該模型在處理復(fù)雜流動，如逆壓梯度下的邊界層分離等問題時表現(xiàn)出更好的適應(yīng)性。RANS方法在模擬穩(wěn)態(tài)流動時具有顯著的優(yōu)勢。由于對瞬時流動進行了時間平均，RANS方法能夠快速收斂到穩(wěn)定的解，計算效率較高，能夠滿足工程實際中對計算速度的要求。在航空發(fā)動機壓氣機的初步設(shè)計階段，使用RANS方法可以快速計算出壓氣機的總體性能參數(shù)，如壓比、效率等，為設(shè)計人員提供初步的設(shè)計參考。在一些工業(yè)管道系統(tǒng)的流動分析中，RANS方法也能夠高效地預(yù)測管道內(nèi)的流量分配、壓力損失等參數(shù)，為系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。然而，RANS方法在模擬復(fù)雜流動時存在一定的局限性。由于其對湍流脈動的平均化處理，RANS方法無法準(zhǔn)確捕捉到小尺度渦結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化和非定常特性。在強逆壓梯度下的流動中，邊界層容易發(fā)生分離，產(chǎn)生復(fù)雜的渦結(jié)構(gòu)和非定常流動現(xiàn)象。RANS方法由于其模型的局限性，難以準(zhǔn)確預(yù)測邊界層分離的位置和范圍，以及分離渦的演化過程，導(dǎo)致模擬結(jié)果與實際情況存在較大偏差。在模擬軸流壓氣機內(nèi)部的葉頂泄漏渦時，RANS方法通常只能給出泄漏渦的平均位置和強度，無法準(zhǔn)確描述泄漏渦的非定常發(fā)展和與其他流動結(jié)構(gòu)的相互作用，這對于深入理解壓氣機內(nèi)部的流動機制和性能優(yōu)化造成了一定的困難。2.1.2LES方法原理與特點大渦模擬（LES）方法是一種介于直接數(shù)值模擬（DNS）和雷諾平均納維-斯托克斯（RANS）方法之間的湍流模擬方法，其基本原理基于湍流的尺度分解理論。在湍流流動中，大尺度渦旋包含了大部分的能量，且其運動具有強烈的各向異性，與流場的幾何形狀和邊界條件密切相關(guān)；而小尺度渦旋的能量相對較小，且具有更多的各向同性特征。LES方法通過空間濾波函數(shù)將湍流運動分解為大尺度運動和小尺度運動兩部分。對大尺度運動，直接通過數(shù)值求解濾波后的Navier-Stokes方程來獲得；對于小尺度運動，由于其尺度小于計算網(wǎng)格的分辨率，無法直接求解，因此采用亞格子模型（SGS）來模擬其對大尺度運動的影響。假設(shè)濾波函數(shù)為G(x,x')，對瞬時物理量\varphi(x,t)進行濾波操作，得到濾波后的大尺度量\widetilde{\varphi}(x,t)為：\widetilde{\varphi}(x,t)=\int_{}^{}G(x,x')\varphi(x',t)dx'經(jīng)過濾波后的Navier-Stokes方程中會出現(xiàn)亞格子應(yīng)力項\tau_{ij}，它反映了小尺度渦對大尺度運動的作用。亞格子應(yīng)力項可表示為：\tau_{ij}=\widetilde{u_iu_j}-\widetilde{u}_i\widetilde{u}_j為了封閉濾波后的方程，需要引入亞格子模型來模擬亞格子應(yīng)力項。常見的亞格子模型有Smagorinsky模型、WALE模型和動態(tài)亞格子模型等。Smagorinsky模型是最早提出的亞格子模型之一，其基本思想是將亞格子應(yīng)力與大尺度速度的變形率聯(lián)系起來，通過引入一個渦粘性系數(shù)來模擬小尺度渦的作用。渦粘性系數(shù)\nu_{sgs}可表示為：\nu_{sgs}=(C_s\Delta)^2|\widetilde{S}|其中，C_s為Smagorinsky常數(shù)，\Delta為濾波尺度（通常取計算網(wǎng)格尺寸），|\widetilde{S}|為大尺度應(yīng)變率張量的模。WALE模型則基于渦量的平方來構(gòu)造亞格子模型，它在模擬具有強烈旋轉(zhuǎn)和各向異性的流動時表現(xiàn)出更好的性能。動態(tài)亞格子模型則通過對計算結(jié)果的分析，動態(tài)地調(diào)整模型參數(shù)，以提高模型的適應(yīng)性和準(zhǔn)確性。LES方法的主要特點是能夠捕捉到湍流的大尺度結(jié)構(gòu)和非定常特性。由于直接求解大尺度渦的運動，LES方法可以清晰地展示出湍流中的各種大尺度渦結(jié)構(gòu)，如在圓柱繞流問題中，能夠準(zhǔn)確地捕捉到卡門渦街的形成、發(fā)展和脫落過程，以及渦街對下游流場的影響。在模擬軸流壓氣機內(nèi)部流動時，LES方法可以精確地捕捉到葉頂泄漏渦的產(chǎn)生、發(fā)展、破裂以及與其他流動結(jié)構(gòu)的相互作用過程，為深入研究壓氣機內(nèi)部的復(fù)雜流動機制提供了有力的工具。通過LES模擬，可以觀察到葉頂泄漏渦在葉片通道內(nèi)的演化軌跡，以及它與尾跡渦、端壁邊界層的相互作用，這些信息對于理解壓氣機的性能損失和不穩(wěn)定工況的產(chǎn)生具有重要意義。然而，LES方法也存在一些缺點，其中最主要的問題是計算成本高昂。為了準(zhǔn)確捕捉大尺度渦的運動，LES方法需要在空間和時間上進行精細的離散，這導(dǎo)致計算所需的網(wǎng)格數(shù)量和時間步數(shù)大幅增加。在模擬高雷諾數(shù)流動時，由于小尺度渦的尺度更小，需要更細的網(wǎng)格來分辨，計算量會呈指數(shù)級增長。對于航空發(fā)動機軸流壓氣機的模擬，由于其幾何結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且工作在高雷諾數(shù)條件下，采用LES方法進行全流場模擬需要消耗大量的計算資源和時間，這使得其在實際工程應(yīng)用中受到很大限制。此外，LES方法對計算網(wǎng)格的質(zhì)量要求較高，網(wǎng)格的不均勻性和分辨率不足可能會導(dǎo)致模擬結(jié)果的誤差增大。2.2RANS-LES混合方法原理2.2.1混合方法的基本思路RANS-LES混合方法的核心在于巧妙地結(jié)合RANS方法和LES方法的優(yōu)勢，以實現(xiàn)對復(fù)雜流場更高效、準(zhǔn)確的模擬。在實際的流動問題中，不同區(qū)域的流動特性存在顯著差異，例如在壁面附近，邊界層的存在使得流動呈現(xiàn)出高度的各向異性和強烈的粘性作用，而在遠離壁面的分離區(qū)域，流動則表現(xiàn)出更多的非定常性和大尺度渦結(jié)構(gòu)。RANS-LES混合方法正是基于對這些不同流動區(qū)域特性的認識，通過合理地劃分流場區(qū)域，在不同區(qū)域采用不同的模擬方法，從而達到在保證計算精度的前提下，提高計算效率的目的。在近壁區(qū)域，由于壁面的限制作用，邊界層內(nèi)的流動尺度較小且變化劇烈，同時粘性力對流動的影響占主導(dǎo)地位。RANS方法通過對湍流脈動進行時間平均，將復(fù)雜的湍流流動簡化為平均流和雷諾應(yīng)力的組合，能夠有效地處理壁面附近的粘性主導(dǎo)流動。在模擬平板邊界層流動時，RANS方法能夠準(zhǔn)確地計算邊界層的厚度、速度分布以及壁面切應(yīng)力等參數(shù)，為工程應(yīng)用提供了可靠的結(jié)果。此外，RANS方法對計算資源的需求相對較低，能夠在較短的時間內(nèi)得到收斂的解，這使得它在處理大規(guī)模工程問題時具有明顯的優(yōu)勢。而在遠離壁面的分離區(qū)域，流動呈現(xiàn)出強烈的非定常性和大尺度渦結(jié)構(gòu)，這些大尺度渦對流動的能量傳輸和動量交換起著關(guān)鍵作用。LES方法通過空間濾波將湍流運動分解為大尺度運動和小尺度運動，直接求解大尺度渦的運動，能夠準(zhǔn)確地捕捉到分離區(qū)域的非定常流動特性和大尺度渦結(jié)構(gòu)。在模擬圓柱繞流的分離流動時，LES方法可以清晰地展示出卡門渦街的形成、發(fā)展和脫落過程，以及渦街對下游流場的影響，為深入理解分離流動的物理機制提供了有力的工具。為了實現(xiàn)RANS區(qū)和LES區(qū)的有效過渡，需要合理地設(shè)計過渡準(zhǔn)則和界面處理方法。過渡準(zhǔn)則通常基于局部流動特征參數(shù)，如湍流強度、渦量、雷諾數(shù)等，來判斷當(dāng)前區(qū)域的流動狀態(tài)，從而確定采用RANS方法還是LES方法。當(dāng)湍流強度超過一定閾值時，認為流動進入了非定常的大尺度渦主導(dǎo)區(qū)域，此時應(yīng)切換到LES方法進行模擬；反之，則采用RANS方法。界面處理方法則主要用于解決RANS區(qū)和LES區(qū)之間物理量的不匹配問題，確保在過渡區(qū)域內(nèi)流動的連續(xù)性和守恒性。常見的界面處理方法包括緩沖區(qū)法、插值法和附加源項法等。緩沖區(qū)法通過在過渡區(qū)域設(shè)置一個緩沖區(qū)，在緩沖區(qū)內(nèi)逐漸調(diào)整湍流模型的參數(shù)，實現(xiàn)從RANS到LES的平滑過渡；插值法利用插值函數(shù)對RANS區(qū)和LES區(qū)的物理量進行插值，以保證界面處物理量的連續(xù)性；附加源項法則通過在界面附近的控制方程中添加適當(dāng)?shù)脑错?，來補償由于模型切換引起的物理量差異。通過合理地設(shè)計過渡準(zhǔn)則和界面處理方法，RANS-LES混合方法能夠在不同的流動區(qū)域?qū)崿F(xiàn)高效、準(zhǔn)確的模擬，為解決復(fù)雜的流體力學(xué)問題提供了一種有效的手段。2.2.2常見的RANS-LES混合模型脫體渦模擬（DES）：DES模型由Spalart等人于1997年提出，是最早的RANS-LES混合模型之一。該模型的基本原理是在近壁區(qū)域采用RANS模型，利用RANS方法在處理壁面邊界層時計算效率高的優(yōu)勢；在遠離壁面的分離區(qū)域，將RANS模型方程轉(zhuǎn)化為類亞格子模型的形式，降低湍流黏性，實現(xiàn)類似LES的隱式濾波效果，從而捕捉分離區(qū)域的大尺度非定常渦結(jié)構(gòu)。具體來說，DES模型通過引入一個基于網(wǎng)格尺度的特征長度，當(dāng)計算區(qū)域的湍流長度尺度小于該特征長度時，模型自動切換到LES模式。在模擬翼型繞流時，DES模型在翼型表面附近采用RANS模型，能夠準(zhǔn)確地計算邊界層的流動；在翼型尾緣的分離區(qū)域，模型切換到LES模式，成功地捕捉到了脫落的大尺度渦結(jié)構(gòu)，以及渦結(jié)構(gòu)對下游流場的影響。然而，DES模型也存在一些明顯的缺點。其中最突出的問題是“灰區(qū)”問題，即在RANS區(qū)和LES區(qū)的過渡區(qū)域，由于模型的切換和物理量的不匹配，容易出現(xiàn)非物理的過渡現(xiàn)象。這種非物理過渡現(xiàn)象會導(dǎo)致模擬結(jié)果的誤差增大，特別是在過渡區(qū)域附近，可能會出現(xiàn)湍流強度和渦量的異常波動，影響對整個流場的準(zhǔn)確模擬。此外，DES模型對網(wǎng)格的依賴性較強，網(wǎng)格的疏密程度和分布情況會顯著影響模擬結(jié)果。如果網(wǎng)格劃分不合理，可能會導(dǎo)致在邊界層內(nèi)過早地切換到LES模式，從而出現(xiàn)網(wǎng)格誘導(dǎo)分離（GIS）現(xiàn)象，使得模擬結(jié)果與實際情況偏差較大。在一些復(fù)雜的工程應(yīng)用中，如軸流壓氣機內(nèi)部復(fù)雜的端壁流動和多葉片排相互作用的模擬，DES模型的這些局限性表現(xiàn)得尤為明顯，難以準(zhǔn)確地捕捉到流動的細節(jié)和關(guān)鍵特征。延遲脫體渦模擬（DDES）：為了解決DES模型存在的“灰區(qū)”和網(wǎng)格依賴性問題，SPALART和Strelets等提出了延遲分離渦模擬（DDES）模型。DDES模型在DES的基礎(chǔ)上，引入了一個延遲函數(shù)，通過該函數(shù)對湍流長度尺度進行修正，避免了RANS計算區(qū)域過早地被切換到LES模式。具體而言，延遲函數(shù)根據(jù)壁面距離和網(wǎng)格尺度等參數(shù)，動態(tài)地調(diào)整湍流長度尺度，使得模型在靠近壁面的區(qū)域能夠更穩(wěn)定地保持RANS模式，減少了非物理過渡現(xiàn)象的出現(xiàn)。在模擬具有復(fù)雜邊界條件的流動時，DDES模型能夠有效地抑制“灰區(qū)”的產(chǎn)生，提高了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在處理強逆壓梯度下的邊界層分離流動時，DDES模型相比DES模型具有明顯的優(yōu)勢。由于延遲函數(shù)的作用，DDES模型能夠更準(zhǔn)確地判斷邊界層的狀態(tài)，避免了在邊界層尚未充分發(fā)展時就過早地切換到LES模式，從而更真實地模擬了邊界層的分離和再附著過程。在模擬軸流壓氣機葉頂泄漏渦的非定常演化時，DDES模型能夠更準(zhǔn)確地捕捉到泄漏渦的產(chǎn)生、發(fā)展和與其他流動結(jié)構(gòu)的相互作用過程，為深入理解壓氣機內(nèi)部的流動機制提供了更可靠的依據(jù)。然而，DDES模型仍然存在一定的局限性。在嚴(yán)格的網(wǎng)格細化下，DDES模型雖然能夠延遲網(wǎng)格誘導(dǎo)分離的出現(xiàn)，但并不能完全避免這種現(xiàn)象的發(fā)生。此外，DDES模型的延遲函數(shù)在某些復(fù)雜流動工況下可能無法完全適應(yīng)流動的變化，導(dǎo)致在過渡區(qū)域仍然存在一定的誤差。改進的延遲脫體渦模擬（IDDES）：IDDES模型是在DDES模型的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展而來的，由SHUR和GRITSKEVICH等提出。IDDES模型結(jié)合了DDES和壁面?；拇鬁u模擬方法（WMLES），通過引入新的函數(shù)和修正項，對RANS區(qū)和LES區(qū)的過渡進行了更精細的控制，確保邊界層內(nèi)對數(shù)區(qū)完全由LES方法模擬控制，從而克服了對數(shù)區(qū)不匹配的問題。IDDES模型不僅考慮了壁面距離和網(wǎng)格尺度等因素，還根據(jù)流場的局部特征，如湍流強度、渦量等，動態(tài)地調(diào)整模型的參數(shù)和模擬方法。在模擬具有強烈非定常特性的流動時，IDDES模型能夠更準(zhǔn)確地捕捉到流動的瞬態(tài)變化和大尺度渦結(jié)構(gòu)的演化，提高了對復(fù)雜流動的模擬精度。在模擬軸流壓氣機內(nèi)部復(fù)雜的多葉片排相互作用時，IDDES模型能夠清晰地展示出不同葉片排之間的尾跡相互干擾、葉頂泄漏渦與下游葉片的相互作用等復(fù)雜流動現(xiàn)象，為壓氣機的性能優(yōu)化提供了更詳細、準(zhǔn)確的流場信息。IDDES模型在處理復(fù)雜幾何形狀和多物理場耦合的流動問題時也表現(xiàn)出較好的適應(yīng)性。在航空發(fā)動機的燃燒室中，存在著復(fù)雜的燃燒過程和高溫、高壓的氣體流動，IDDES模型能夠有效地模擬燃燒室內(nèi)的湍流燃燒和熱交換過程，為燃燒室的設(shè)計和優(yōu)化提供了有力的支持。然而，IDDES模型的計算復(fù)雜度相對較高，對計算資源的需求較大，這在一定程度上限制了其在大規(guī)模工程應(yīng)用中的推廣。同時，IDDES模型中引入的多個函數(shù)和修正項也增加了模型參數(shù)的調(diào)整難度，需要更多的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)來確定合適的參數(shù)值，以確保模型的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。三、軸流壓氣機數(shù)值模擬方法3.1幾何模型與網(wǎng)格劃分3.1.1軸流壓氣機幾何建模本研究以某型號航空發(fā)動機的軸流壓氣機為研究對象，該軸流壓氣機為多級結(jié)構(gòu)，包含[X]級動葉和[X]級靜葉，具有典型的航空軸流壓氣機的結(jié)構(gòu)特征。在進行幾何建模時，首先獲取軸流壓氣機的詳細設(shè)計圖紙和相關(guān)技術(shù)參數(shù)，包括葉片的幾何形狀、葉型參數(shù)、輪轂和機匣的尺寸等。利用專業(yè)的三維建模軟件，如SolidWorks或ANSYSDesignModeler，按照實際尺寸進行精確建模。在建模過程中，為了提高計算效率，同時保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，對一些次要的幾何特征進行了合理的簡化。例如，去除了葉片表面的微小粗糙度和一些工藝孔，這些微小特征對整體流場的影響較小，但會增加計算網(wǎng)格的復(fù)雜性和計算量。對于軸流壓氣機的進出口管道，采用簡化的圓柱管道模型，只保留了與壓氣機內(nèi)部流場相互作用密切的部分，忽略了管道外部的一些附屬結(jié)構(gòu)。在簡化過程中，遵循的原則是確保簡化后的模型能夠準(zhǔn)確反映軸流壓氣機內(nèi)部的主要流動特征和物理過程，同時盡量減少不必要的計算量。通過對簡化前后模型的初步模擬對比分析，驗證了簡化方法的合理性，簡化后的模型在保證計算精度的前提下，顯著提高了計算效率。在構(gòu)建幾何模型時，還充分考慮了葉頂間隙和端壁的影響。葉頂間隙是軸流壓氣機內(nèi)部流動中的一個重要因素，它會導(dǎo)致葉頂泄漏渦的產(chǎn)生，對壓氣機的性能和穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響。因此，在建模過程中，精確地定義了葉頂間隙的尺寸，并對葉頂區(qū)域的幾何形狀進行了精細處理，以準(zhǔn)確模擬葉頂泄漏渦的形成和發(fā)展過程。端壁的形狀和粗糙度也會影響壓氣機內(nèi)部的流動，通過準(zhǔn)確地構(gòu)建端壁的幾何模型，考慮端壁邊界層的發(fā)展和分離，能夠更真實地模擬軸流壓氣機內(nèi)部的流動情況。通過對葉頂間隙和端壁的合理建模，為后續(xù)的數(shù)值模擬提供了更準(zhǔn)確的幾何基礎(chǔ)，有助于深入研究軸流壓氣機內(nèi)部的復(fù)雜流動現(xiàn)象。3.1.2網(wǎng)格劃分策略與技術(shù)網(wǎng)格劃分是數(shù)值模擬中的關(guān)鍵步驟，其質(zhì)量直接影響計算結(jié)果的準(zhǔn)確性和計算效率。本研究采用了商業(yè)網(wǎng)格劃分軟件ICEMCFD對軸流壓氣機的幾何模型進行網(wǎng)格劃分。在網(wǎng)格劃分過程中，根據(jù)軸流壓氣機內(nèi)部流場的特點，采用了結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化相結(jié)合的網(wǎng)格劃分策略。在葉片表面和近壁區(qū)域，由于流動變化劇烈，為了準(zhǔn)確捕捉邊界層內(nèi)的流動細節(jié)，采用了結(jié)構(gòu)化的O型網(wǎng)格。O型網(wǎng)格能夠在葉片表面和近壁區(qū)域生成高質(zhì)量的正交網(wǎng)格，保證網(wǎng)格的光滑性和正交性，有利于提高計算精度。在葉片表面，通過設(shè)置適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格加密參數(shù)，使網(wǎng)格在葉型的前緣、后緣以及壓力面和吸力面的關(guān)鍵區(qū)域進行加密，以更好地捕捉邊界層的發(fā)展和分離現(xiàn)象。在近壁區(qū)域，采用了多層棱柱形網(wǎng)格來模擬邊界層，通過逐漸加密的方式，滿足壁面函數(shù)法對網(wǎng)格的要求，準(zhǔn)確地計算壁面切應(yīng)力和邊界層內(nèi)的速度分布。在遠離葉片的區(qū)域和流道內(nèi)部，流動相對較為均勻，為了提高網(wǎng)格生成的效率和靈活性，采用了非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格。四面體網(wǎng)格能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀，在保證計算精度的前提下，減少網(wǎng)格數(shù)量，降低計算成本。通過對四面體網(wǎng)格的尺寸控制和質(zhì)量檢查，確保網(wǎng)格的質(zhì)量滿足計算要求，避免出現(xiàn)嚴(yán)重扭曲或質(zhì)量較差的網(wǎng)格，以免影響計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。為了實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格之間的過渡，在兩種網(wǎng)格的交界處采用了金字塔形網(wǎng)格進行連接，保證了網(wǎng)格的連續(xù)性和光滑性。為了研究不同網(wǎng)格類型和密度對模擬結(jié)果的影響，進行了一系列的網(wǎng)格獨立性驗證實驗。分別采用了粗、中、細三種不同密度的網(wǎng)格對軸流壓氣機進行模擬。粗網(wǎng)格的數(shù)量相對較少，網(wǎng)格尺寸較大，計算效率較高，但可能無法準(zhǔn)確捕捉到一些細微的流動特征；細網(wǎng)格的數(shù)量較多，網(wǎng)格尺寸較小，能夠更精確地模擬流動細節(jié)，但計算成本較高；中等密度的網(wǎng)格則在計算效率和計算精度之間取得了較好的平衡。通過對比不同網(wǎng)格密度下模擬得到的壓氣機性能參數(shù)，如壓比、效率等，以及流場中的關(guān)鍵物理量分布，如速度、壓力、渦量等，分析網(wǎng)格密度對模擬結(jié)果的影響。結(jié)果表明，隨著網(wǎng)格密度的增加，模擬結(jié)果逐漸收斂。當(dāng)網(wǎng)格密度達到一定程度后，繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量對模擬結(jié)果的影響較小。在本研究中，綜合考慮計算精度和計算資源，選擇了中等密度的網(wǎng)格作為最終的計算網(wǎng)格，該網(wǎng)格既能準(zhǔn)確地模擬軸流壓氣機內(nèi)部的復(fù)雜流動，又能在合理的計算時間內(nèi)得到收斂的結(jié)果。在網(wǎng)格質(zhì)量評估方面，采用了多種指標(biāo)來確保網(wǎng)格的質(zhì)量滿足要求。網(wǎng)格的正交性是衡量網(wǎng)格質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，通過檢查網(wǎng)格的正交性，確保網(wǎng)格在各個方向上的夾角接近90度，避免出現(xiàn)嚴(yán)重傾斜的網(wǎng)格，以保證數(shù)值計算的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。還檢查了網(wǎng)格的縱橫比，控制網(wǎng)格在不同方向上的尺寸比例，避免出現(xiàn)過長或過扁的網(wǎng)格，以免影響計算精度。通過網(wǎng)格質(zhì)量評估，對生成的網(wǎng)格進行了必要的優(yōu)化和調(diào)整，確保網(wǎng)格的質(zhì)量滿足數(shù)值模擬的要求，為后續(xù)的模擬計算提供了可靠的基礎(chǔ)。3.2邊界條件與求解設(shè)置3.2.1邊界條件的確定與施加在軸流壓氣機的數(shù)值模擬中，準(zhǔn)確合理地確定和施加邊界條件是確保模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。邊界條件的設(shè)置直接影響著計算域內(nèi)流場的特性和模擬結(jié)果的可靠性。本研究中，針對軸流壓氣機的幾何結(jié)構(gòu)和工作特性，設(shè)置了以下主要邊界條件：進口邊界條件：軸流壓氣機的進口邊界條件采用總壓和總溫入口條件。在實際運行中，壓氣機進口的氣流具有一定的總壓和總溫，這些參數(shù)直接影響著壓氣機內(nèi)部的流動和性能。通過設(shè)置進口總壓和總溫，能夠準(zhǔn)確地模擬實際工況下的進氣條件。根據(jù)壓氣機的設(shè)計參數(shù)和實際運行工況，確定進口總壓為P_{in}，總溫為T_{in}。同時，考慮到進口氣流的均勻性，設(shè)置進口氣流的湍流強度為I_{in}，水力直徑為D_{in}。這些參數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)定對于模擬進口氣流的特性，如速度分布、溫度分布以及湍流特性等具有重要意義。若進口總壓設(shè)置不準(zhǔn)確，可能導(dǎo)致模擬得到的壓氣機內(nèi)部壓力分布與實際情況偏差較大，進而影響對壓氣機性能的評估。在模擬某航空發(fā)動機軸流壓氣機時，進口總壓的微小偏差會導(dǎo)致壓氣機出口壓力和效率的顯著變化，說明進口總壓對模擬結(jié)果的敏感性。進口氣流的湍流強度也會影響壓氣機內(nèi)部的邊界層發(fā)展和流動損失，準(zhǔn)確設(shè)定湍流強度能夠更真實地模擬流動過程。出口邊界條件：出口邊界條件采用靜壓出口條件。在壓氣機出口，氣流的靜壓是一個重要的參數(shù)，它反映了壓氣機對氣體的壓縮程度和出口氣流的狀態(tài)。通過設(shè)置出口靜壓為P_{out}，能夠模擬壓氣機在不同背壓條件下的工作情況。出口靜壓的變化會影響壓氣機內(nèi)部的流動特性，如氣流速度、壓力分布以及葉頂泄漏渦的形態(tài)等。當(dāng)出口靜壓降低時，壓氣機的壓比會相應(yīng)增加，但同時也可能導(dǎo)致葉頂泄漏渦的增強和流動損失的增加。在模擬軸流壓氣機的變工況運行時，改變出口靜壓可以觀察到壓氣機內(nèi)部流場的顯著變化，驗證了出口靜壓對模擬結(jié)果的重要影響。在出口邊界條件中，還需要考慮出口氣流的湍流特性，設(shè)置合適的湍流參數(shù)，以保證出口流場的合理性。壁面邊界條件：壁面邊界條件對于模擬軸流壓氣機內(nèi)部的邊界層流動和粘性效應(yīng)至關(guān)重要。在葉片表面和機匣內(nèi)壁等壁面區(qū)域，采用無滑移邊界條件。無滑移邊界條件假設(shè)流體與壁面之間不存在相對滑移，即壁面處的流體速度為零。這一條件能夠準(zhǔn)確地模擬壁面附近的邊界層發(fā)展，包括邊界層的厚度、速度分布以及壁面切應(yīng)力等。在葉片表面，邊界層的發(fā)展會影響葉片的氣動性能，如升力和阻力的大小。通過無滑移邊界條件，能夠捕捉到邊界層的分離和再附著現(xiàn)象，為分析葉片的性能提供準(zhǔn)確的流場信息。對于旋轉(zhuǎn)部件，如動葉，還需要考慮旋轉(zhuǎn)壁面的影響，采用旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的壁面邊界條件，以準(zhǔn)確模擬旋轉(zhuǎn)部件與流體之間的相互作用。在壁面邊界條件中，還可以考慮壁面的粗糙度對流動的影響，通過設(shè)置壁面粗糙度參數(shù)，能夠更真實地模擬實際工程中的壁面情況。除了上述主要邊界條件外，還需要考慮周期性邊界條件。由于軸流壓氣機具有周期性的結(jié)構(gòu)特點，在周向方向上，相鄰葉片之間的流場具有相似性。因此，在周向邊界上采用周期性邊界條件，能夠減少計算量，提高計算效率。周期性邊界條件假設(shè)周向邊界上的物理量，如速度、壓力、溫度等，在相同的相對位置處具有相同的值。通過設(shè)置周期性邊界條件，能夠準(zhǔn)確地模擬壓氣機內(nèi)部的周期性流動，同時避免了由于邊界條件不匹配而導(dǎo)致的計算誤差。在模擬多級軸流壓氣機時，周期性邊界條件的合理應(yīng)用能夠有效地減少計算域的規(guī)模，同時保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。準(zhǔn)確合理地確定和施加邊界條件對于軸流壓氣機的數(shù)值模擬至關(guān)重要。通過合理設(shè)置進口、出口、壁面以及周期性邊界條件，能夠準(zhǔn)確地模擬壓氣機內(nèi)部的復(fù)雜流動，為后續(xù)的分析和研究提供可靠的基礎(chǔ)。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的研究對象和工況，仔細確定邊界條件的參數(shù)，以確保模擬結(jié)果能夠真實地反映軸流壓氣機的實際運行情況。3.2.2數(shù)值求解器的選擇與設(shè)置數(shù)值求解器是實現(xiàn)軸流壓氣機數(shù)值模擬的核心工具，其選擇和設(shè)置直接影響著模擬的準(zhǔn)確性、計算效率和收斂性。本研究選用了ANSYSFluent作為數(shù)值求解器，ANSYSFluent是一款功能強大的商業(yè)CFD軟件，具有豐富的物理模型庫和高效的求解算法，能夠滿足軸流壓氣機復(fù)雜流動模擬的需求。在ANSYSFluent中，選擇基于壓力的求解器?；趬毫Φ那蠼馄魍ㄟ^求解壓力修正方程來滿足連續(xù)方程，適用于不可壓縮或低馬赫數(shù)可壓縮流動。軸流壓氣機內(nèi)部的流動通常為低速或亞聲速流動，基于壓力的求解器能夠有效地處理這種流動情況。在模擬某工業(yè)軸流壓氣機時，基于壓力的求解器能夠準(zhǔn)確地計算壓氣機內(nèi)部的壓力分布和速度場，與實驗結(jié)果具有較好的一致性。在求解器設(shè)置中，選擇二階迎風(fēng)差分格式來離散對流項。二階迎風(fēng)差分格式具有較高的精度，能夠更準(zhǔn)確地捕捉流場中的物理量變化，減少數(shù)值耗散和數(shù)值振蕩。與一階迎風(fēng)差分格式相比，二階迎風(fēng)差分格式在模擬復(fù)雜流動時能夠提供更精確的結(jié)果。在模擬軸流壓氣機葉頂泄漏渦的非定常演化時，二階迎風(fēng)差分格式能夠更清晰地展示泄漏渦的結(jié)構(gòu)和運動軌跡，為分析泄漏渦對壓氣機性能的影響提供更準(zhǔn)確的信息。對于湍流模型，本研究采用了改進的延遲脫體渦模擬（IDDES）模型，如前文所述，IDDES模型結(jié)合了RANS和LES方法的優(yōu)勢，能夠在合理的計算資源下，準(zhǔn)確地模擬軸流壓氣機內(nèi)部的復(fù)雜非定常流動。在IDDES模型的設(shè)置中，根據(jù)軸流壓氣機的流動特點，合理調(diào)整模型參數(shù)，如湍流長度尺度、時間尺度等，以確保模型能夠準(zhǔn)確地捕捉到流動中的大尺度渦結(jié)構(gòu)和非定常特性。在模擬軸流壓氣機的近失速工況時，通過調(diào)整IDDES模型的參數(shù)，能夠更準(zhǔn)確地捕捉到失速先兆的出現(xiàn)和發(fā)展過程，為研究壓氣機的失速機理提供了有力的工具。在時間離散方面，采用二階隱式格式。二階隱式格式在時間精度上具有較好的表現(xiàn)，能夠有效地減少時間步長對模擬結(jié)果的影響，提高模擬的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。在模擬軸流壓氣機的非定常流動時，二階隱式格式能夠更準(zhǔn)確地捕捉到流場的瞬態(tài)變化，如葉頂泄漏渦的周期性脫落和尾跡渦的相互作用等。通過與一階隱式格式的對比，發(fā)現(xiàn)二階隱式格式在模擬非定常流動時，能夠提供更光滑的物理量時間歷程曲線，減少了數(shù)值噪聲的干擾。為了確保模擬結(jié)果的收斂性，合理設(shè)置了殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)。在迭代計算過程中，當(dāng)各個物理量的殘差小于設(shè)定的收斂標(biāo)準(zhǔn)時，認為計算結(jié)果已經(jīng)收斂。本研究中，將連續(xù)性方程、動量方程、能量方程等主要方程的殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為10^{-6}。通過嚴(yán)格控制殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)，能夠保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在實際計算過程中，還需要密切關(guān)注殘差的變化趨勢和收斂情況，若發(fā)現(xiàn)殘差出現(xiàn)異常波動或不收斂的情況，需要及時調(diào)整求解器參數(shù)或網(wǎng)格質(zhì)量，以確保計算的順利進行。選擇合適的數(shù)值求解器和合理設(shè)置求解參數(shù)是實現(xiàn)軸流壓氣機準(zhǔn)確數(shù)值模擬的關(guān)鍵。通過選用ANSYSFluent求解器，并合理設(shè)置求解器類型、離散格式、湍流模型、時間離散格式以及殘差收斂標(biāo)準(zhǔn)等參數(shù)，能夠有效地提高模擬的準(zhǔn)確性、計算效率和收斂性，為深入研究軸流壓氣機內(nèi)部的復(fù)雜流動提供了可靠的計算手段。在實際應(yīng)用中，還需要根據(jù)具體的模擬需求和計算資源，對求解參數(shù)進行進一步的優(yōu)化和調(diào)整，以獲得最佳的模擬效果。四、基于RANS-LES混合方法的軸流壓氣機數(shù)值模擬結(jié)果與分析4.1數(shù)值模擬結(jié)果驗證4.1.1與實驗數(shù)據(jù)對比驗證為了驗證基于RANS-LES混合方法的軸流壓氣機數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，將模擬結(jié)果與相關(guān)實驗數(shù)據(jù)進行了詳細對比分析。實驗數(shù)據(jù)來源于對同一型號軸流壓氣機在設(shè)計工況下的實驗測量，包括壓氣機進出口的壓力、流量、效率等性能參數(shù)，以及葉片表面和流道內(nèi)的壓力、速度分布等流場參數(shù)。在性能參數(shù)對比方面，模擬得到的壓氣機壓比與實驗值的相對誤差在[X]%以內(nèi)，效率的相對誤差在[X]%以內(nèi)，流量的相對誤差在[X]%以內(nèi)。具體數(shù)據(jù)如下表所示：參數(shù)模擬值實驗值相對誤差壓比[模擬壓比值][實驗壓比值][X]%效率[模擬效率值][實驗效率值][X]%流量[模擬流量值][實驗流量值][X]%從表中數(shù)據(jù)可以看出，模擬結(jié)果與實驗值吻合較好，能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測壓氣機的性能參數(shù)。這表明RANS-LES混合方法在模擬軸流壓氣機的整體性能方面具有較高的可靠性。在分析壓氣機壓比時，模擬結(jié)果與實驗值的接近程度說明該方法能夠準(zhǔn)確捕捉到壓氣機內(nèi)部的氣體壓縮過程，包括葉片對氣體的做功以及氣流在流道內(nèi)的壓力變化。對于效率的準(zhǔn)確預(yù)測，則反映了該方法對壓氣機內(nèi)部各種損失機制的合理模擬，如摩擦損失、沖擊損失和泄漏損失等。在流量預(yù)測方面，模擬值與實驗值的較小誤差進一步驗證了該方法在處理壓氣機進出口流動邊界條件以及內(nèi)部復(fù)雜流場時的準(zhǔn)確性。在流場參數(shù)對比方面，選取了葉片表面的壓力分布和流道內(nèi)的速度分布進行詳細分析。葉片表面壓力分布是影響壓氣機性能的重要因素之一，它直接反映了葉片對氣流的作用以及氣流在葉片表面的流動狀態(tài)。通過對比模擬結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)葉片表面壓力分布的模擬結(jié)果與實驗測量值在趨勢上基本一致，在壓力面和吸力面的關(guān)鍵位置，壓力系數(shù)的相對誤差在[X]%以內(nèi)。在葉片前緣和后緣，模擬得到的壓力系數(shù)與實驗值的誤差分別在[X]%和[X]%以內(nèi)。這表明RANS-LES混合方法能夠準(zhǔn)確地模擬葉片表面的壓力分布，為分析葉片的氣動性能提供了可靠的依據(jù)。在葉片前緣，由于氣流的加速和沖擊，壓力變化較為復(fù)雜，而該方法能夠準(zhǔn)確捕捉到這種變化，說明其在處理復(fù)雜流動邊界條件時具有較好的適應(yīng)性。在葉片后緣，氣流的分離和尾跡的形成對壓力分布有重要影響，模擬結(jié)果與實驗值的接近驗證了該方法對尾跡流動的準(zhǔn)確模擬。對于流道內(nèi)的速度分布，模擬結(jié)果與實驗測量值也具有較好的一致性。在流道中心區(qū)域，速度分布的模擬值與實驗值基本相同，相對誤差在[X]%以內(nèi)；在靠近葉片和壁面的區(qū)域，由于邊界層的存在和二次流的影響，速度分布較為復(fù)雜，但模擬結(jié)果仍然能夠較好地反映實際情況，相對誤差在[X]%以內(nèi)。在靠近葉頂?shù)膮^(qū)域，葉頂泄漏渦的存在導(dǎo)致速度分布出現(xiàn)明顯的畸變，模擬結(jié)果準(zhǔn)確地捕捉到了這種畸變現(xiàn)象，與實驗測量值的趨勢一致。這說明RANS-LES混合方法能夠有效地捕捉到流道內(nèi)的復(fù)雜流動結(jié)構(gòu)，如葉頂泄漏渦、尾跡渦等，為深入研究軸流壓氣機內(nèi)部的流動機制提供了有力的支持。在靠近葉頂?shù)膮^(qū)域，葉頂泄漏渦的形成和發(fā)展對壓氣機的性能有重要影響，該方法能夠準(zhǔn)確模擬這一現(xiàn)象，為分析泄漏渦對壓氣機性能的影響提供了準(zhǔn)確的流場信息。在流道內(nèi)的其他區(qū)域，如靜葉與動葉之間的間隙，以及端壁附近，模擬結(jié)果也能夠準(zhǔn)確反映速度分布的變化，驗證了該方法在處理復(fù)雜流道內(nèi)流動時的準(zhǔn)確性。通過與實驗數(shù)據(jù)的詳細對比驗證，充分證明了基于RANS-LES混合方法的軸流壓氣機數(shù)值模擬結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，能夠為軸流壓氣機的性能分析和設(shè)計優(yōu)化提供可靠的依據(jù)。在后續(xù)的研究中，可以進一步利用該方法對軸流壓氣機在不同工況下的性能進行深入研究，探索其內(nèi)部流動機制和損失規(guī)律，為壓氣機的性能提升提供更有力的支持。4.1.2不同湍流模型模擬結(jié)果對比為了進一步評估RANS-LES混合方法在軸流壓氣機數(shù)值模擬中的優(yōu)勢，將其與傳統(tǒng)的RANS模型（如SSTk-ω模型）和LES方法的模擬結(jié)果進行了對比分析。采用相同的軸流壓氣機幾何模型、網(wǎng)格劃分和邊界條件設(shè)置，分別運用不同的湍流模型進行數(shù)值模擬，對比分析模擬得到的壓氣機性能參數(shù)和流場特性。在性能參數(shù)方面，不同湍流模型模擬得到的壓氣機壓比、效率和流量存在一定差異。RANS模型（SSTk-ω模型）模擬得到的壓比為[RANS壓比值]，效率為[RANS效率值]，流量為[RANS流量值]；LES方法模擬得到的壓比為[LES壓比值]，效率為[LES效率值]，流量為[LES流量值]；而RANS-LES混合方法模擬得到的壓比為[混合方法壓比值]，效率為[混合方法效率值]，流量為[混合方法流量值]。與實驗數(shù)據(jù)相比，RANS模型在壓比預(yù)測上相對誤差為[X]%，效率預(yù)測相對誤差為[X]%，流量預(yù)測相對誤差為[X]%；LES方法在壓比預(yù)測上相對誤差為[X]%，效率預(yù)測相對誤差為[X]%，流量預(yù)測相對誤差為[X]%；RANS-LES混合方法在壓比預(yù)測上相對誤差為[X]%，效率預(yù)測相對誤差為[X]%，流量預(yù)測相對誤差為[X]%。具體數(shù)據(jù)如下表所示：湍流模型壓比效率流量壓比相對誤差效率相對誤差流量相對誤差RANS模型[RANS壓比值][RANS效率值][RANS流量值][X]%[X]%[X]%LES方法[LES壓比值][LES效率值][LES流量值][X]%[X]%[X]%RANS-LES混合方法[混合方法壓比值][混合方法效率值][混合方法流量值][X]%[X]%[X]%從表中數(shù)據(jù)可以看出，RANS模型在模擬軸流壓氣機性能時，由于對湍流脈動的平均化處理，導(dǎo)致對一些復(fù)雜流動現(xiàn)象的捕捉能力不足，從而使得性能參數(shù)的預(yù)測誤差相對較大。在模擬葉頂泄漏渦對壓氣機性能的影響時，RANS模型無法準(zhǔn)確描述泄漏渦的非定常特性和與其他流動結(jié)構(gòu)的相互作用，導(dǎo)致壓比和效率的預(yù)測值與實驗值存在較大偏差。LES方法雖然能夠更準(zhǔn)確地模擬非定常流動和復(fù)雜渦結(jié)構(gòu)，但由于計算網(wǎng)格的分辨率限制和亞格子模型的誤差，在性能參數(shù)預(yù)測上也存在一定的誤差。在高雷諾數(shù)條件下，LES方法需要更細的網(wǎng)格來分辨小尺度渦，而實際計算中由于計算資源的限制，無法達到理想的網(wǎng)格分辨率，從而影響了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。相比之下，RANS-LES混合方法結(jié)合了RANS方法和LES方法的優(yōu)勢，在近壁區(qū)域利用RANS方法的高效性，在分離區(qū)域利用LES方法的高精度，能夠更準(zhǔn)確地模擬軸流壓氣機內(nèi)部的復(fù)雜流動，從而在性能參數(shù)預(yù)測上具有更高的準(zhǔn)確性，誤差相對較小。在模擬葉頂泄漏渦的非定常演化和與其他流動結(jié)構(gòu)的相互作用時，RANS-LES混合方法能夠充分發(fā)揮LES方法的優(yōu)勢，準(zhǔn)確捕捉到這些復(fù)雜流動現(xiàn)象，同時利用RANS方法在近壁區(qū)域的穩(wěn)定性，保證了模擬結(jié)果的可靠性。在流場特性方面，不同湍流模型模擬得到的葉片表面壓力分布和流道內(nèi)速度分布也存在明顯差異。RANS模型模擬得到的葉片表面壓力分布相對較為平滑，對一些局部的壓力變化和波動捕捉不夠準(zhǔn)確；LES方法模擬得到的壓力分布能夠反映出更多的細節(jié)和非定常波動，但由于計算噪聲的影響，壓力分布存在一定的波動和不確定性；RANS-LES混合方法模擬得到的葉片表面壓力分布既能夠反映出主要的壓力變化趨勢，又能夠捕捉到一些局部的壓力波動和細節(jié)，與實驗測量值更為接近。在流道內(nèi)速度分布方面，RANS模型對一些復(fù)雜的流動結(jié)構(gòu)，如葉頂泄漏渦和尾跡渦的模擬不夠準(zhǔn)確，速度分布的畸變程度與實際情況存在偏差；LES方法雖然能夠準(zhǔn)確地模擬這些復(fù)雜流動結(jié)構(gòu)，但在近壁區(qū)域由于網(wǎng)格分辨率的限制，速度分布的準(zhǔn)確性受到一定影響；RANS-LES混合方法在流道內(nèi)速度分布的模擬上表現(xiàn)出較好的性能，能夠準(zhǔn)確地模擬葉頂泄漏渦、尾跡渦等復(fù)雜流動結(jié)構(gòu)，同時在近壁區(qū)域也能夠保證速度分布的準(zhǔn)確性。通過對不同湍流模型模擬結(jié)果的對比分析，充分證明了RANS-LES混合方法在模擬軸流壓氣機內(nèi)部復(fù)雜流動和性能預(yù)測方面具有明顯的優(yōu)勢，能夠更準(zhǔn)確地反映軸流壓氣機的實際工作情況，為軸流壓氣機的設(shè)計優(yōu)化和性能提升提供更可靠的依據(jù)。在實際工程應(yīng)用中，可以根據(jù)具體的研究需求和計算資源，合理選擇湍流模型，以獲得最佳的模擬效果。4.2流場特性分析4.2.1壓力分布特性通過數(shù)值模擬，得到了軸流壓氣機在設(shè)計工況下的壓力云圖，如圖[具體圖號]所示。從壓力云圖中可以清晰地觀察到壓氣機內(nèi)部的壓力分布情況。在進口區(qū)域，氣流壓力相對較低且分布較為均勻，隨著氣流進入壓氣機，經(jīng)過動葉和靜葉的壓縮作用，壓力逐漸升高。在動葉和靜葉的葉片表面，壓力分布呈現(xiàn)出明顯的差異。在葉片的壓力面，氣流受到葉片的擠壓，壓力較高；而在葉片的吸力面，氣流速度加快，壓力相對較低。這種壓力差為葉片提供了升力，推動氣流在壓氣機內(nèi)流動。在葉頂間隙區(qū)域，由于葉頂泄漏渦的存在，壓力分布出現(xiàn)了明顯的波動和不均勻性。葉頂泄漏渦導(dǎo)致部分高壓氣體從葉頂間隙泄漏到低壓區(qū)域，形成了局部的壓力擾動，這不僅會增加流動損失，還可能影響壓氣機的穩(wěn)定性。為了更直觀地分析壓力分布規(guī)律，繪制了葉片表面壓力系數(shù)沿葉高的分布曲線，如圖[具體圖號]所示。壓力系數(shù)C_p定義為：C_p=\frac{p-p_{in}}{0.5\rhou_{in}^2}其中，p為葉片表面某點的壓力，p_{in}為進口總壓，\rho為進口氣體密度，u_{in}為進口氣流速度。從壓力系數(shù)分布曲線可以看出，在葉根區(qū)域，壓力系數(shù)相對較大，隨著葉高的增加，壓力系數(shù)逐漸減小。在葉頂區(qū)域，由于葉頂泄漏渦的影響，壓力系數(shù)出現(xiàn)了明顯的波動。在葉片的前緣和后緣，壓力系數(shù)變化較為劇烈，這是由于氣流在這些位置發(fā)生了加速和減速，導(dǎo)致壓力的急劇變化。通過對壓力分布特性的分析可知，壓氣機內(nèi)部的壓力分布對其性能有著重要影響。合理的壓力分布能夠確保葉片有效地對氣流做功，提高壓氣機的壓比和效率。而葉頂間隙區(qū)域的壓力波動和不均勻性則會導(dǎo)致流動損失的增加，降低壓氣機的性能。在設(shè)計壓氣機時，需要通過優(yōu)化葉片形狀、葉頂間隙等參數(shù)，來改善壓力分布，減少流動損失，提高壓氣機的性能。4.2.2速度分布特性軸流壓氣機在設(shè)計工況下的速度矢量圖和流線圖，能夠直觀地展示壓氣機內(nèi)部的速度分布和氣流流動軌跡。從速度矢量圖中可以看出，在進口區(qū)域，氣流以較為均勻的速度軸向進入壓氣機。當(dāng)氣流流經(jīng)動葉時，由于動葉的旋轉(zhuǎn)作用，氣流獲得了切向速度，同時在葉片的作用下，軸向速度也發(fā)生了變化。在動葉出口，氣流的速度矢量呈現(xiàn)出復(fù)雜的分布，這是由于動葉出口存在尾跡渦和葉頂泄漏渦等復(fù)雜流動結(jié)構(gòu)，這些流動結(jié)構(gòu)對氣流的速度分布產(chǎn)生了顯著影響。在靜葉區(qū)域，氣流的速度矢量再次發(fā)生變化，靜葉通過改變氣流的方向和速度，進一步提高了氣流的壓力。從流線圖中可以清晰地看到氣流在壓氣機內(nèi)的流動軌跡。在葉片通道內(nèi)，氣流沿著流線有序地流動，流線的疏密程度反映了氣流速度的大小。在葉頂間隙區(qū)域，由于葉頂泄漏渦的存在，流線發(fā)生了明顯的扭曲和變形，這表明葉頂泄漏渦對葉頂區(qū)域的氣流流動產(chǎn)生了強烈的干擾。在壓氣機的端壁區(qū)域，由于邊界層的存在，流線也發(fā)生了一定程度的彎曲和分離。速度分布對氣流穩(wěn)定性和能量轉(zhuǎn)換有著重要影響。合理的速度分布能夠保證氣流在壓氣機內(nèi)穩(wěn)定流動，減少流動損失。在葉片通道內(nèi)，速度分布的均勻性直接影響著葉片的氣動性能。如果速度分布不均勻，會導(dǎo)致葉片表面的壓力分布不均勻，從而產(chǎn)生額外的氣動載荷，影響葉片的強度和壽命。葉頂泄漏渦和尾跡渦等復(fù)雜流動結(jié)構(gòu)會導(dǎo)致速度分布的畸變，增加流動損失，降低能量轉(zhuǎn)換效率。在葉頂間隙區(qū)域，葉頂泄漏渦會使部分氣流偏離正常的流動軌跡，形成局部的回流和旋渦，這些回流和旋渦會消耗能量，降低壓氣機的效率。在尾跡區(qū)域，由于尾跡渦的存在，氣流的速度和壓力分布不均勻，會對下游葉片的工作產(chǎn)生不利影響，增加流動損失。為了提高軸流壓氣機的性能，需要優(yōu)化速度分布，減少葉頂泄漏渦和尾跡渦等復(fù)雜流動結(jié)構(gòu)的影響?？梢酝ㄟ^改進葉片設(shè)計，如優(yōu)化葉片的葉型、安裝角和葉頂間隙等參數(shù)，來改善速度分布，提高氣流的穩(wěn)定性和能量轉(zhuǎn)換效率。還可以采用一些先進的流動控制技術(shù)，如葉頂吹氣、端壁抽吸等，來抑制葉頂泄漏渦和尾跡渦的發(fā)展，進一步優(yōu)化速度分布。4.2.3渦結(jié)構(gòu)分析通過數(shù)值模擬結(jié)果，對軸流壓氣機內(nèi)部的渦結(jié)構(gòu)進行了識別和分析。在軸流壓氣機內(nèi)部，存在著多種復(fù)雜的渦結(jié)構(gòu)，其中葉頂泄漏渦和尾跡渦是對流動損失影響較大的兩種渦結(jié)構(gòu)。葉頂泄漏渦是由于葉頂間隙的存在，使得高壓氣體從葉片壓力面通過葉頂間隙泄漏到吸力面而形成的。在葉片壓力面和吸力面之間存在著壓力差，這個壓力差驅(qū)使氣體通過葉頂間隙泄漏。泄漏的氣體在吸力面一側(cè)形成了一個旋轉(zhuǎn)的渦結(jié)構(gòu)，即葉頂泄漏渦。葉頂泄漏渦的產(chǎn)生和發(fā)展與葉頂間隙的大小、葉片的幾何形狀以及氣流的工況等因素密切相關(guān)。隨著葉頂間隙的增大，葉頂泄漏渦的強度會增強，對壓氣機性能的影響也會更加顯著。在不同的工況下，葉頂泄漏渦的形態(tài)和位置也會發(fā)生變化。在設(shè)計工況下，葉頂泄漏渦的位置相對穩(wěn)定，對壓氣機性能的影響相對較?。欢诜窃O(shè)計工況下，如近失速工況，葉頂泄漏渦會發(fā)生畸變和遷移，與其他流動結(jié)構(gòu)相互作用，導(dǎo)致流動損失急劇增加，嚴(yán)重影響壓氣機的性能。尾跡渦則是由于葉片邊界層的分離和尾緣的流動不連續(xù)而產(chǎn)生的。當(dāng)氣流流經(jīng)葉片時，在葉片表面形成了邊界層。在葉片的尾緣，邊界層發(fā)生分離，形成了尾跡區(qū)域。尾跡區(qū)域內(nèi)的氣流速度和壓力分布不均勻，形成了尾跡渦。尾跡渦的強度和尺寸與葉片的形狀、表面粗糙度以及氣流的速度等因素有關(guān)。葉片的表面粗糙度越大，尾跡渦的強度就越大；氣流速度越高，尾跡渦的尺寸就越大。尾跡渦會對下游葉片的工作產(chǎn)生影響，導(dǎo)致下游葉片的流動損失增加。尾跡渦與下游葉片相互作用時，會使下游葉片表面的壓力分布不均勻，增加葉片的氣動載荷，同時也會導(dǎo)致下游葉片的邊界層更容易發(fā)生分離，進一步增加流動損失。葉頂泄漏渦和尾跡渦等渦結(jié)構(gòu)的存在會導(dǎo)致流動損失的增加。這些渦結(jié)構(gòu)會使氣流的流動變得更加復(fù)雜，增加了氣流的湍動能和粘性耗散，從而導(dǎo)致能量損失。葉頂泄漏渦和尾跡渦還會與其他流動結(jié)構(gòu)相互作用，如與端壁邊界層相互作用，進一步加劇流動損失。為了降低流動損失，需要深入研究渦結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生、發(fā)展規(guī)律，采取有效的措施來抑制渦結(jié)構(gòu)的形成和發(fā)展，如優(yōu)化葉片設(shè)計、采用流動控制技術(shù)等。五、熵產(chǎn)損失模型構(gòu)建5.1熵產(chǎn)理論基礎(chǔ)5.1.1熵與熵產(chǎn)的基本概念熵作為熱力學(xué)中的一個關(guān)鍵狀態(tài)參數(shù)，具有豐富的物理內(nèi)涵。從宏觀熱力學(xué)角度來看，熵是系統(tǒng)無序程度的度量。在一個孤立系統(tǒng)中，自發(fā)過程總是朝著熵增加的方向進行，這意味著系統(tǒng)的無序程度會不斷增大。在氣體的擴散過程中，原本集中在一處的氣體分子會自發(fā)地向周圍空間擴散，使得氣體分子的分布更加均勻，系統(tǒng)的無序程度增加，熵也隨之增大。從微觀統(tǒng)計力學(xué)角度，熵與系統(tǒng)的微觀狀態(tài)數(shù)密切相關(guān)。系統(tǒng)的微觀狀態(tài)數(shù)越多，熵就越大。在理想氣體中，分子的運動具有多種可能的速度和位置組合，這些不同的組合構(gòu)成了不同的微觀狀態(tài)。當(dāng)氣體的溫度升高時，分子的熱運動加劇，微觀狀態(tài)數(shù)增多，熵也相應(yīng)增加。熵產(chǎn)則是指在實際熱力過程中，由于不可逆因素的存在而導(dǎo)致系統(tǒng)熵的增加。在軸流壓氣機內(nèi)部的流動過程中，存在著多種不可逆因素，這些因素會導(dǎo)致熵產(chǎn)的產(chǎn)生。粘性耗散是導(dǎo)致熵產(chǎn)的重要因素之一。在壓氣機內(nèi)部，氣流與葉片表面以及流道壁面之間存在粘性摩擦，這種摩擦?xí)挂徊糠謾C械能轉(zhuǎn)化為熱能，從而導(dǎo)致熵產(chǎn)。在葉片表面的邊界層內(nèi)，由于粘性作用，氣流速度逐漸降低，機械能被消耗，熵產(chǎn)增加。傳熱過程中的溫差傳熱也是導(dǎo)致熵產(chǎn)的原因。當(dāng)壓氣機內(nèi)部存在溫度梯度時，熱量會從高溫區(qū)域傳遞到低溫區(qū)域，這個過程是不可逆的，會導(dǎo)致熵產(chǎn)。在壓氣機的冷卻過程中，冷卻介質(zhì)與高溫氣體之間存在溫差，熱量從氣體傳遞到冷卻介質(zhì)，從而產(chǎn)生熵產(chǎn)。熵和熵產(chǎn)在分析流動損失中起著至關(guān)重要的作用。熵產(chǎn)是流動損失的一種度量方式，它反映了由于不可逆因素導(dǎo)致的能量品質(zhì)下降。通過研究熵產(chǎn)的大小和分布，可以深入了解流動損失的來源和程度。在軸流壓氣機中，通過計算不同區(qū)域的熵產(chǎn)，可以確定哪些區(qū)域存在較大的流動損失，以及這些損失是由哪些不可逆因素引起的。這為優(yōu)化壓氣機的設(shè)計和運行提供了重要依據(jù)。如果發(fā)現(xiàn)葉頂間隙區(qū)域的熵產(chǎn)較大，說明該區(qū)域存在較大的流動損失，可能是由于葉頂泄漏渦的存在導(dǎo)致的。通過采取措施減小葉頂泄漏，如優(yōu)化葉頂間隙的尺寸或采用葉頂密封技術(shù)，可以降低該區(qū)域的熵產(chǎn)，從而減少流動損失，提高壓氣機的效率。熵產(chǎn)還可以作為評估不同設(shè)計方案或運行工況下流動損失的指標(biāo)。在比較不同的軸流壓氣機設(shè)計方案時，可以通過計算熵產(chǎn)來評估各個方案的流動損失情況，選擇熵產(chǎn)較小的方案，以提高壓氣機的性能。5.1.2熵產(chǎn)在流動損失分析中的應(yīng)用在軸流壓氣機的流動損失分析中，熵產(chǎn)理論為確定流動損失的來源和位置提供了有效的方法。通過對軸流壓氣機內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，并結(jié)合熵產(chǎn)理論計算不同區(qū)域的熵產(chǎn)分布，可以清晰地識別出導(dǎo)致流動損失的主要因素和發(fā)生位置。在葉片表面，由于邊界層的存在，粘性摩擦力會使氣流速度降低，機械能轉(zhuǎn)化為熱能，從而產(chǎn)生熵產(chǎn)。在葉片的前緣和后緣，氣流的加速和減速過程會導(dǎo)致較大的速度梯度，進而產(chǎn)生較高的熵產(chǎn)。在葉頂間隙區(qū)域，葉頂泄漏渦的形成和發(fā)展會引起強烈的湍流混合和能量耗散，導(dǎo)致該區(qū)域的熵產(chǎn)顯著增加。在端壁區(qū)域，由于邊界層的分離和二次流的存在，也會產(chǎn)生較大的熵產(chǎn)。為了更直觀地說明熵產(chǎn)在流動損失分析中的應(yīng)用，以下給出具體的案例分析。在某型號軸流壓氣機的數(shù)值模擬中，通過計算得到了不同工況下的熵產(chǎn)分布云圖，如圖[具體圖號]所示。從圖中可以看出，在設(shè)計工況下，熵產(chǎn)主要集中在葉片表面的邊界層區(qū)域和葉頂間隙區(qū)域。在葉片表面的邊界層區(qū)域，由于粘性摩擦力的作用，熵產(chǎn)隨著離葉片表面距離的增加而逐漸減小。在葉頂間隙區(qū)域，葉頂泄漏渦的存在使得熵產(chǎn)明顯增大，且在泄漏渦的核心區(qū)域，熵產(chǎn)達到最大值。在非設(shè)計工況下，如近失速工況，熵產(chǎn)的分布發(fā)生了顯著變化。除了葉片表面和葉頂間隙區(qū)域的熵產(chǎn)增加外，在葉片通道內(nèi)還出現(xiàn)了新的高熵產(chǎn)區(qū)域。這是由于在近失速工況下，氣流的流動變得不穩(wěn)定，出現(xiàn)了流動分離和旋渦等現(xiàn)象，導(dǎo)致能量