| 单词 | 涡轮机械流体力学理论 |
| 释义 | 【涡轮机械流体力学理论】 拼译：aerodynamic theory of turbomachinery 涡轮机械又称流体机械，包括汽轮机、燃气轮机、水轮机、压气机、风机、泵和风车等，在各种工业部门，特别在动力、能源、航空、化工、矿冶中有着重要和广泛的应用。当流体工质流过叶轮时，同后者相互作用，进行功与能的传递与转换，这一过程的效率取决于工质性质(粘性、可压缩性等)及叶片形状。涡轮机械(以后简记作TM)流体力学的任务就是用力学理论和数学工具研究其中流体运动的力学规律和设计合理(优化)的叶轮形状，以提高其效率(或负荷能力)，改善其工作稳定性。它是流体力学的一个重要分支，但有其特殊性：(1)有功与能的转换，流体的总能是不均匀分布的。(2)有动叶轮和静叶轮交错排列，必须相应地考察其中的相对流动和绝对流动及其相互转换关系。 1．发展简史。大致可分4个阶段。第1阶段(1755～1905)：1755年Euler导出涡轮机功率方程；1894年deLaval发明超声速喷管，并用之于汽轮机，这是一维流理论发展与应用阶段。第2阶段(1906～1965)：1906年Loreng提出无限多叶片理论，1914～1915年Joukowski和Chaplygin提出二维叶栅不可压缩绕流理论。第3阶段(1965～1985)：是准三维流时期：吴仲华早在1952年提出基于两类相对流面的三维流通用理论其贡献有二：(1)两类流回理论，将三维流问题简化为两个相关的2类流回上的二维流问题。②首次引入数值(差分)解法，以面向计算机，但直到60年代中期后，吴氏理论的重大意义才日益被认识，现已为国际普遍接受并引用于研究和工程设计中。这一理论在70年代中由于应用张量工具引入非正交曲线坐标而更加完善了。这一时期的重点发展是：跨声速流动、势流与边界层相互作用，二维反命题、杂交命题和优化命题。第4阶段(1985年后)：全三维流理论开始发展，即直接求解全三维流场，重点是时均Navier-Stokes(简作N-S)方程解、三维反一杂交命题和非定常流动。上述第1、2两阶段可总称之为经典理论，其特点是求解析解，因而力求方程和边界条件简，用直角(或正交)坐标系，解线性问题，故与工程实用要求脱离较多。第3、4两阶段可总称为现代理论，其特点是面向计算机，求数值解，可解非线性问题，致力于程序的通用化和离散格式的合理化和优化，采用非正交曲线坐标系，故更接近于工程实际需要。2．国内外现状与热点。70年代以来计算机和计算流体力学的大发展导致了“数值实验”新概念的产生，它同风洞实验比，优点有：可避免实验设备条件(Re数、M数等)的限制，节时省钱。现已取得以下主要进展；(1)无粘流方面。跨声速流计算，以激波捕获法为主。从Murman和Cole的混合差分松弛法起，逐步发展到近似因子分解法、人工密度法以至多重网格法，计算速度大为加快，近又出现了自适应网格而使激波捕获的精度显著提高。在中国最早提出并应用较广的反命题解法是中心流线法，后来又有所改进与发展。60年代中期起反命题在中国又获新进展，并在80年前后扩展为杂交命题，后又推广到全三维流动。为此创设了两种途径：映象空间法和变域变分法。最近又首次建立了非定常流反命题的变分理论。(2)粘性流计算。这里主要障碍是湍流，目前几乎都采用时均N-S方程与湍流模式相结合的近似实用解法。(3)平面叶栅的最优设计理论。70年代初，比利时和捷克提出了以简化流动模型(简化为叶型单背弧上的最优流速分布问题)为基础的最优叶栅理论；1977年中国提出了以完整的叶栅流动模型为基础，并引用最优控制论的更精确的叶栅优化理论，后又推广到三维轴流转子叶栅。(4)新的设计概念。60年代提出了叶片弯扭复合成型法和控制涡设计法，前者在80年代又取得新进展和实用。此外，还出现了些行之有效的新概念，如小展弦比压气机几叶片，叶片端弯技术、机匣处理、后掠叶片及前倾叶片等。(5)非定常流动。流动的非定常性不仅影响TM的气动性，而且关系到运行的稳定性和可靠性。目前较活跃的热点有压气机的旋转失速与喘振，这是一种与粘性流随机性有关的流动失稳现象；叶片颤振，其根源是叶片与气流间的气动弹性耦合作用。目前主要用能量法概念，将颤振近似分解为结构振动和非常气动两个子问题来交叉迭代求解。中国已提出解决失速颤振难题的一个近似法——变形激盘法。最近又建立了“流体－机翼”耦合振动系统的统一变分理论，为用有限元法精确求解无失速颤振问题奠定了严密的理论基础。研究气动噪声产生的机理及消除方法，是非定常气动力学同声学的交叉学科。关于两相流动，实用上遇到的主要是“汽－液(汽轮机中)和气－固”(燃气轮机、风机中)两种两相流动。3．发展前景预测。今后总的发展趋势是更全面、深入地研究计及粘性、非定常效应的真实流动的数值模拟(数值实验)，并大力实现向以反－杂交命题和优化设计为主要手段的三维气动设计体系的转变。为此应大力开展以下各项研究：(1)粘性流与分离流的研究。主要解决湍流的预测问题，逐步实现由零方程和二方程模式(例为K-ε模式)向多方程模式的过渡，由时均N-S方程向大涡模拟并进而直接向完全N-S方程的过渡。研究分离流与涡动力学，特别是设法利用分离涡来提高功率与效率。(2)非定常流的研究。继续探究旋转失速、喘振和颤振的机理及预测计算方法，并大力发展它们有效的主动控制法。(3)反－杂交命题的研究。要进一步向全三维、粘性流及非定常流的反—杂交命题发展。特别要发展“多工况点设计理论与方法”，即能按多种工况(例如不同的攻角)的要求来选定叶面流速分布，设计出相应的叶片形状。(4)最优化气动设计理论与方法。建立直接采用N-S方程的完整计算模型，再与最优控制论结合求解。(5)数值模拟与风洞实验的进一步结合，相互促进与补充，并逐步用数值实验代替风洞实验，以收多快好省之效。(6)TM进排气缸和阀门的气动计算与设计方法。(7)TM自动设计计算机程序组合系统及人工智能专家系统的研究与开发。【参考文献】：1 刘高联．力学学报，1980，12：4；1982，14：22 Дейч，M Е，еt al．Tеиλознергегпкa，1962，83 Chen N X，et al．Intl J．Num．Methods in Engrg，1986，22：456～4794 Liu G L．Sinica，1980，13：105 刘高联．工程热物理学报，1985，6：1；1988，9：46 刘高联．力学学报，1988，20：37 Yang X D，et al．ASME Paper 85－IGT－99，19858 Liu G L．A unified variational formulation of aeroelasticity problem for coupledfluid-wing’vibration system in 3－D transonic flow，Proc．2nd Intl Conf．on Fluid Mechanics，July1993，Beijing：438-4449 Paduano J，et al．ASME Paper 91－GT－88，199110 Liu G L． Inverse problem of 2－D unsteady transonic flow around oscillating airfoils：A variational formulation，Proc．1st Intl Conf．on Aerohydroelasticity，Oct．1993，Beijing(上海工业大学博士生导师刘高联教授撰) |
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