东南大学火电机组振动国家工程研究中心简介

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叶轮机械气动力学研究的创新与发展
众所周知，叶轮机械在国民经济与国防建设中起着重要作用。能源、发电、航空、航天、水面舰艇、交通运输，以及各工业部门大量采用的各类风机、泵、压缩机、透平等，这些机械都是叶轮机械。
　　叶轮机械的核心技术是叶片的流体动力设计。由于过去我国叶轮机械气动设计方法还偏陈旧，尚未形成先进完善的设计体系，从而使得产品效率低，能耗高。据了解，如果将我国每年新装机容量的火电机组性能提高百分之一，全国一年就可多发电几亿千瓦小时。如果提高国内现有各类风机与泵的效率使其达到国外先进水平，我国一年就可节电几百亿千瓦小时。由于叶轮机械的内部流动极其复杂，在国外传统的叶轮机械叶片的设计，是建立在大量叶片动、静实验的经验总结的基础之上，从而需要大量的人力、物力与时间。与此同时，他们也进行叶轮机械粘性流体的数值求解方法的研究，比较不同设计方案的优劣，可能达到优化的设计和分析研究不同工况和环境参数的影响；试验在数值计算结果分析的指导下，可以减少试验的次数，从而减少大量的人力、物力和节省很多的时间。反问题和设计优化的研究成果，使得研究与发展的周期大为缩短，从而不断地更新换代，促进国民经济与国防建设的发展；在数值计算的帮助下，可以研究分析复杂的叶轮机械内部流动，发现与揭示其内在的物理规律，从而改进它的设计。上个世纪80、90年代至今，气动正、反问题的求解与设计优化是其设计理论研究的热点。

　　中国科学院工程热物理研究所于70年代末，在吴仲华教授的建议下成立了叶轮机械粘性流体力学研究课题组，从事叶轮机械气动正、反问题及其应用的研究。其目的是为我国工业部门提供可用于设计高性能、高效率叶轮机械的新构思、新理论和新方法。当时国际上叶轮机械粘性流动的数值计算方法的研究也正在开始。多年来该课题组的陈乃兴、黄伟光、徐燕骥、张丰显等科技人员，在深入研究叶轮机械内部流动机理的基础上，勇于创新，提出了叶轮机械气动正、反问题的数值求解与设计优化的方法，在国内得到了应用，并得到国际同行们的极大关注。所进行的“叶轮机械气动正、反问题的求解与设计优化的研究”的项目，也获得了2002国家自然科学二等奖。经过二十多年的艰苦努力，研究组取得了三个方面的创新成果。

　　首先，课题组独立自主地发展了一套叶轮机械全三维全粘性流流动的正问题求解方法。

　　据陈乃兴教授介绍，当时粘性气动正问题数值求解的研究在世界各国已进行了几年，但是其计算精度如何，可信度如何，能不能应用，当时并不知道，国际上研究人员普遍认为必须要通过考核。1994年英国剑桥大学J．D．Denton教授、美国宇航局Lewis中心A．J．Strazisar博士等建议，由美国机械工程师协会向各国科研机构和有关单位发出通知，邀请各国科技人员参加国际“Rotor37单转子压气机性能的盲题测试”。盲题考核是在事先不告诉试验的结果，只给定叶片的几何形状情况下，让参算者用各自的方法计算出单转子压气机叶片流道中的流场，然后进行比较。由于该测试难度相当大，当时课题组的同志有些犹豫，但为了更多地了解世界在气动正问题方面的研究情况，并提高中国在该研究上的知名度，课题组最终决定参加盲题计算。通过考核，美国机械工程师协会最终公布了11家单位的计算结果，课题组成为国内唯一一家榜上有名的研究团队，其余的都是美、英等先进工业国。当时参加盲题考核的各国研究机构所使用的计算机最快的是CRAYC90计算机，而我国用的是四台微机，最好的一台是PC486－66,我们的速度与之相差成百倍，在这样的速度下要解决问题非常困难。他说：“要解决问题，我们只能在减少网格节点数的前提下，千方百计地从各个环节上提高精度。研究组花了整整四个月的时间，日日夜夜进行计算，研究分析了几十万个计算数据，最后拿出了一百多页的计算报告。同时，在网格节点数方面最多的是1050K，而中国仅用37K。虽然我们所用的网格节点数与他们的相差很大，但是应用最多网格点的参算者所得的结果也不见得比我们所得的结果好得太多。”回想起当时情景，陈教授觉为有些冒进，也有些侥幸，但他认为，做科研工作如果没有勇于创新的精神，将什么也做不成。

　　除了接受美国机械工程师协会盲题考核外，课题组还接受了沈阳航空发动机研究所的盲题考核，之后，沈阳航空发动机研究所在涡轮和压气机的设计中应用了研究组的计算方法与程序。该研究所研制成功具有国际先进水平的航空发动机风扇，给课题组很大的鼓舞。

　　课题组的科研成果也在国外得到应用。1997年捷克SKODA公司委托课题组进行特殊马刀型短叶片的优化设计。当时对方要求非常严格，课题组在接下任务后，花了几乎一年的时间完成两本厚厚的计算结果与优化方案。

　　其次，课题组系统、全面地发展了叶轮机械气动反问题的理论与求解方法。

　　陈乃兴教授认为，目前正问题的求解，虽然精度有待于提高，研究还在继续。而反问题的求解，情况则更差一点。到目前为止，国际上叶轮机械流体力学的求解方法的研究，求解方法还停留在正问题的求解上。与之同时，国际上还没有成熟的反问题商用软件。因此，反问题的研究具有很高的理论水平和很重要的应用价值。

　　在叶轮机械流体动力反问题研究方面，课题组发展了八个叶轮机械的反问题求解方法。它们可以分别求解准三维、全三维问题、可压缩、不可压缩流体、轴流式、离心式叶轮机械的单列或串列叶片等问题。在理论上的贡献是：首次提出了用反求度量张量求解杂交问题的方法；完整地提出两种流函数求解三维正、反与杂交问题的统一解，同一方程求解不同类型的问题；求解粘性流的“给定流线法”；提出求解粘性流的压力残差修正法，建立几何残差与压力残差的关系以求得真实的几何边界；提出用准三维反问题与三维N．S．解法的相互迭代的三维算法，应用准三维反问题生成的叶片与三维N．S．方程求解的周向平均结果之间的相互迭代，以求得真实的叶片型状。

　　课题组在反问题所做的工作引起了国际上从事反问题与优化问题研究的著名学者的关注，日本东京大学Fujii教授等邀请研究组参加他们主编的专著中有关反问题的一章。

　　再者，课题组在设计优化研究方面取得了四项创新成果。

　　首次提出了应用J形叶片、后加载复合短叶片和特殊马刀型的优化概念、理论与方法。通过流场的详尽分析，发现了此三种叶片具有比普通的马刀型和直叶片更高的效率；同时提出轴向弯曲的概念来进行优化的方法，因为它具有控制附面层分离的作用，并详细地分析与揭示了叶片轴向弯曲的机理。J型叶片和后加载叶片的优化方案被北京三维公司应用，对二十台20万鸈的汽轮机进行了改造，在节约能耗上获得了很大的经济效益。

　　正问题求解方法与程序、反问题求解方法以及优化设计等，还引入上海汽轮机有限公司的设计系统，与上汽合作进行的“汽轮机叶片全三元气动设计体系开发”，获得了上海市技术振兴一等奖，为我国自立设计水平与产业技术升级提供了技术支撑。该公司也已改造了国产50MW、125MW、300MW和引进的300MW、600MW等三十多台汽轮机机组，为国家节省了大量能源费用。

　　按测试结果的推算，课题组的科研成果，使上述五十多台的汽轮发电机组运行三年，为国家节省逾亿元的煤耗。

　　对于学科未来的发展，陈乃兴教授认为，叶轮机械气动力学的研究还远远未到尽头，研究工作需要进一步细化，已经得到的反问题求解方法目前能够解决设计中的部分问题，但是还不能解决所有问题，正问题的求解精度还有待于提高，应用正反问题求解的方法对叶轮机械内部流动机理的研究和设计优化的研究还需要继续。目前，虽然定常的研究工作还不够，但非定常流动的工作也需要加强，而这是下一步研究工作的难点。同时，除了气动力学以外，还要与气动声学、弹性力学的研究相结合，这些研究在推动叶轮机械气动力学进一步发展中起着至关重要的作用，它将进一步推动能源、航空、航天工业的发展，所以课题组接下来的研究任务还很艰巨。

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jerry0204103

牛人！赞！~~~~~~~~~~~~~

ruan

主要是解决大机组的振动问题。