描述透平机械复杂流体运动的流面轴曲线坐标系建立方法技术

本发明专利技术涉及一种描述透平机械复杂流体运动的流面轴曲线坐标系建立方法，通过该坐标系，将透平机械内的复杂流动分解为实现能量转化的主流运动与耗损能量的两个二次流运动。同时通过将透平机械内流体微团所受的各作用力分解至a、b、c三轴方向，建立力与二次流动的关系，从而揭示了二次流产生机理，实现了二次流场的直接求解及二次流能量损失的直接计算，改变了当前间接描述二次流的现状。实现了复杂流动的全分解，并提取了二次流，可广泛应用于各类透平机械，包括但不限于泵、水轮机、风机、空气压缩机等。气压缩机等。气压缩机等。

【技术实现步骤摘要】
描述透平机械复杂流体运动的流面轴曲线坐标系建立方法


[0001]本专利技术涉及一种透平机械技术，特别涉及一种描述透平机械复杂流体运动的流面轴曲线坐标系建立方法。

技术介绍

[0002]1952年，针对透平机械的水动力设计问题，吴仲华教授提出了著名的两类相对流面，解决了主流运动的数学描述问题，揭开了透平机械三元设计的序幕。两类相对流面分为S1和S2流面，S1流面近似为回转面，S2流面近似为叶片骨面，主流运动沿S1与S2流面进行。基于S1与S2流面，形成了描述主流运动的正交曲线坐标系(m,n,θ)与描述叶片几何的圆柱坐标系(r,θ,z,)，如图1正交曲线坐标系与圆柱坐标系所示(王立祥.喷水推进技术及工程设计[M].北京:国防工业出版社,2021)。
[0003]二次流是透平机械内普遍存在的现象，存在于叶片表面边界层及叶梢间隙区域，不仅直接引起能量损失，还能使主流流场发生畸变从而降低性能。透平机械现有的圆柱坐标系(r,θ,z,)及正交曲线坐标系(m,n,θ)，均不能描述二次流问题，实现二次流的表征。
[0004]二次流是主流运动的伴随流动，其运动方向与主流运动相垂直，当前针对透平机械的二次流问题，只能从主流的流向涡角度分析二次流，对二次流损失只能从熵或者旋涡耗散的角度间接评估，评估精度较低，认识也不完整。
[0005]描述主流运动的两类流面S1与S2不能表征透平机械内的二次流，CN114251129A提出了描述二次流运动的第三类流面S3，第三类流面结合数值模拟技术，实现了二次流的再现、分析与量化评估。但对机械设计中对因二次流引起的能量流失运算和故障风险规避中无法直接运用，限制运用的广泛性。

技术实现思路

[0006]针对透平机械的二次流定量认知问题，提出了一种描述透平机械复杂流体运动的流面轴曲线坐标系建立方法，深入揭示透平机械二次流机理，可直接用于表征二次流的数学物理模型。
[0007]本专利技术的技术方案为：一种描述透平机械复杂流体运动的流面轴曲线坐标系建立方法，具体包括如下步骤：
[0008]1)在描述叶片几何的圆柱坐标系(r,θ,z,)中，在透平机械内子午面上取中间子午流线m，作叶片中部的过流断面线n，n即为叶轮通道中部描述二次流运动的S3流面与子午面的交线，m与n两线的交点取为流面轴曲线坐标系的坐标原点O；
[0009]2)将子午流线m沿轴线z旋转一周，形成S1流面，取叶片拱弧面为S2流面；
[0010]3)将S1流面展开，两相邻叶片构成的通道内，中间的S2流面与S1流面的交线为主流运动流线，该流线取为流面轴曲线坐标系的a轴，过原点O的S3流面与S1流面交线为流面轴曲线坐标系的b轴；
[0011]4)展开过原点O的S3流面，S1流面、S2流面与S3流面的交线分别为流面轴曲线坐标
系的两个坐标轴b与c。
[0012]进一步，所述b轴、c轴与a轴正交，所述b与c两轴准正交，所述b轴与c轴分别为描述S2流面与S1流面法向的二次流动。
[0013]一种运用流面轴曲线坐标系进行流场求解方法，基于流面轴曲线坐标系，将透平机械内流体微团受的实时旋转离心力、流线弯曲离心力、科氏力、粘性力与压力分解至流面轴曲线坐标系a、b、c三轴方向，建立力与运动的关系，其中a轴方向的力与运动的关系为能量转化主流场，同时间对应的b轴与c轴方向的力与运动关系为耗损能量二次流场。
[0014]本专利技术的有益效果在于：本专利技术描述透平机械复杂流体运动的流面轴曲线坐标系建立方法，通过该坐标系，将透平机械内的复杂流动分解为实现能量转化的主流运动与耗损能量的两个二次流运动。同时通过将透平机械内流体微团所受的各作用力分解至a、b、c三轴方向，建立力与二次流动的关系，从而揭示了二次流产生机理，实现了二次流场的直接求解及二次流能量损失的直接计算，改变了当前间接描述二次流的现状。实现了复杂流动的全分解，并提取了二次流，可广泛应用于各类透平机械，包括但不限于泵、水轮机、风机、空气压缩机等。
附图说明
[0015]图1为正交曲线坐标系与圆柱坐标系示意图；
[0016]图2为本专利技术透平机械子午面上流线m等示意图；
[0017]图3为本专利技术S1流面上流面轴曲线坐标系a轴与b轴图；
[0018]图4为本专利技术S3流面上流面轴曲线坐标系b轴与c轴图。
具体实施方式
[0019]下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。
[0020]本专利技术提供的基于S1、S2及S3流面的流面轴曲线坐标系(a,b,c)，坐标系统中三个坐标轴分别为a、b、c，a轴描述主流运动，b轴与c轴分别为描述S2流面与S1流面法向的二次流动，b轴、c轴与a轴正交，b与c两轴准正交。通过流面轴曲线坐标系，实现了透平机械复杂流场(包括二次流)的全描述。
[0021]描述透平机械复杂流体运动的流面轴曲线坐标系建立方法，具体包括如下步骤：
[0022]1)如图2所示透平机械子午面上流线m等示意图，在描述叶片几何的圆柱坐标系(r,θ,z,)中，在透平机械内子午面上取中间子午流线m，作叶片中部的过流断面线n，n即为叶轮通道中部描述二次流运动的S3流面与子午面的交线，m与n两线的交点取为流面轴曲线坐标系的坐标原点O；
[0023]2)将子午流线m沿轴线z旋转一周，形成S1流面，取叶片拱弧面(叶片中面)为S2流面；
[0024]3)如图3所示S1流面上流面轴曲线坐标系a轴与b轴图，将S1流面展开，两相邻叶片构成的通道内，中间的S2流面与S1流面的交线为主流运动流线，该流线取为流面轴曲线坐标系的a轴，原点在中部，过O点的S3流面与S1流面交线为流面轴曲线坐标系的b轴，曲线a与
b在o点的切线相互垂直。
[0025]4)如图4所示S3流面上流面轴曲线坐标系b轴与c轴图，展开过O点的S3流面，S1流面、S2流面与S3流面的交线分别为流面轴曲线坐标系的两个坐标轴b与c。
[0026]通过以上步骤，实现了流面轴曲线坐标系的建立，a轴为主流运动，b、c两轴分别为垂直与S2流面、S1流面两个方向的二次流运动。
[0027]流面轴曲线坐标系，将透平机械内复杂的流体运动分解为主流运动与二次流动，主流运动实现能量转换。二次流动不仅消耗能量降低效率，而且破坏流场品质，诱导振动噪声。基于流面轴曲线坐标系，将透平机械内流体微团受的旋转离心力、流线弯曲离心力、科氏力、粘性力与压力分解至a、b、c三轴方向，建立力与运动的关系，一方面揭示流体机械内各力对主流与两个二次流动的影响机理，另一方面实现复杂流场的求解，得到二次流速度，从而首次实现了二次流能量的求解及二次流的完整描述。
[0028]以上所述实施例仅表达了本专利技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对专利技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种描述透平机械复杂流体运动的流面轴曲线坐标系建立方法，其特征在于，具体包括如下步骤：1)在描述叶片几何的圆柱坐标系(r,θ,z,)中，在透平机械内子午面上取中间子午流线m，作叶片中部的过流断面线n，n即为叶轮通道中部描述二次流运动的S3流面与子午面的交线，m与n两线的交点取为流面轴曲线坐标系的坐标原点O；2)将子午流线m沿轴线z旋转一周，形成S1流面，取叶片拱弧面为S2流面；3)将S1流面展开，两相邻叶片构成的通道内，中间的S2流面与S1流面的交线为主流运动流线，该流线取为流面轴曲线坐标系的a轴，过原点O的S3流面与S1流面交线为流面轴曲线坐标系的b轴；4)展开过原点O的S3流面，S1流...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡佑林，段瑞，严传续，王俊，田喜民，汲国瑞，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七，
类型：发明
国别省市：