Rotor 37 轴流压气机数值模拟

　　Rotor 37 轴流压气机是NASA在20世纪70年代末至80年代初为研究高负荷压气机设计而开发的跨声速轴流压缩机转子。其设计属于“高压比核心压气机”项目的一部分，用于探索高速、高负荷压气机的气动性能和结构稳定性。

　　Rotor 37 验证了跨声速压气机在极端工况下的性能(如激波-边界层相互作用、叶尖泄漏流等)，并为CFD方法提供了基准测试数据。Rotor 37在1990年代被国际燃气轮机学会(IGTI)选为盲测试算例，常被用于评估不同CFD工具在复杂流动中的预测能力。

　　基于DIMAXER软件对Rotor 37 轴流压气机进行数值模拟，重点验证以下计算结果：

　　激波位置与强度：直接影响压比和效率;

　　叶顶泄漏流：影响堵塞区域和稳定性;

　　总温总压分布：与实验数据对比验证湍流模型精度。

　　1. 几何模型

　　Rotor 37 轴流压缩机转子含36个叶片，其围绕负Z轴旋转。在叶片通道内，护罩的最大直径约为51厘米。叶尖速度454 m/s(对应转速17188.7 rpm);设计工况压比1.8-2.1，质量流量20.7 kg/s，适用于跨声速流动条件(马赫数达1.4);叶顶间隙为span的2.5%(约0.356 mm)，shroud最大直径约51厘米;跨声速流动特性显著，存在激波与边界层强相互作用，流动分离现象复杂。

　　Rotor 37 几何结构

　　Rotor 37 单通道几何模型如下：

　　Rotor37子午面

　　Rotor37三维模型(单通道)

　　2. 网格生成

　　首先根据参数化模型对Rotor 37单通道模型进行3D建模，并导入DIMAXER软件。使用DIMAXER软件Quad Mesh功能对Rotor 37 面网格进行划分，生成全四边形面网格。

　　hub

　　periodic

　　inlet

　　shroud

　　blade

　　outlet

　　使用DIMAXER软件扫掠法生成体网格，近壁面第一层网格高度为0.048mm，对应网格Yplus16，求解点Yplus4。叶顶间隙处划分10层网格。

　　单通道总网格量为100万，四阶精度对应求解点6400万。

　　基于DIMAXER软件生成的体网格

　　3. 单工况点计算结果

　　采用DIMAXER软件可压k3精度求解器进行单工况点的验证计算，求解设置如下：

　　压力入口：101325Pa，288.15K

　　压力出口：101325Pa

　　转速：17188RPM

　　Flux type：HLLC

　　使用2张RTX4090显卡进行计算，转一圈所需计算时间为1.5天，共转6圈，总计算时间为9天。以下为计算结果云图和特性曲线展示，其中S1和S3流面位置如下所示。

　　S1面：

　　从S1面的云图中可以看到，在高转速(17,188 r/min)工况下，叶尖前缘附近可见明显的激波结构。激波与边界层的相互作用会导致局部流动分离，表现为云图中低速区的延伸。

　　S3面：

　　出口面：

　　通过出口面的速度矢量云图可观察到叶尖间隙泄漏流动形成的涡结构，该泄漏涡与主流的掺混会导致总压损失增加，在云图中表现为高速区与低速区的交错分布。

　　三维流场分析显示，近轮毂区域流速较低且流动均匀，而叶尖区域流速梯度显著，尤其在激波下游出现明显的速度分层现象。转子通道内总压沿流向逐渐升高，但叶尖区域的泄漏流动导致局部总压损失。通过出口截面的总压云图积分，可计算压比(约2.02-2.10)，与NASA公布的设计值(2.106)偏差在5%以内，验证了DIMAXER对旋转机械算例进行数值模拟的可靠性。

　　4. 特性线计算

　　以上述单工况点参数设置为基础，进行了不同背压的多工况计算，以获取压比、效率特性线。背压分别取[110000: 5000: 145000]共计8个工况点计算，其中背压高于135000后出现失速。选取失速点前的6个结果绘制特性线如下：