涡轮机械由水泵,风机,压缩机,涡轮机和其他机器组成,尤其是在航空,汽车,海洋,空间和工业等部门用于在发电转子和流体之间传输能量 。对于发动机设计师而言,要实现最有效的推进系统和动力系统,他们必须明白多个不断旋转的转子和定子产生空气流动的复杂的物理原理。

     美国俄亥俄州立大学机械和航空航天工程系副教授陈正平博士正在努力改进计算流体动力学(CFD)软件,这样可以让工程师模拟和评估涡轮机的运作。陈博士的这套软件叫TURBO,是他最早为NASA开发。

     目前,陈博士利用俄亥俄州超级计算机中心(OSC)的计算能力来完善的软件,用于证实发动机部件的流场,特别是用于高压压缩机和低压涡轮。

     OSC的临时联合执行董事Ashok Krishnamurthy指出:“世界需要越来越清洁且更有效和可靠的电力系统。因此,需要像陈博士这样专家来找到创新的方法和工具帮助工程师实现这一目标,我们很自豪能够提供计算资源,使这一努力取得成功。”

      每个涡轮机组件具有独特的物理特性,这是目前在设计和操作上的困难,如在高压涡轮里安装一个压缩机和冷却装置。利用仿真工具,在一个大型计算机集群进行验证和优化,发动机设计师将更加理性地观察复杂的流场,这将会减少测试次数、降低风险、更快地推向市场并降低成本。

       陈博士表示传统的风洞试验往往是最简单的方法,但由于需要放置测量探头,因此成本高,且严重受约。而使用CFD进行数值模拟,成为低成本且不需要考虑探头位置的一种替代方法。不过,模拟的精度取决于背后的数学模型模拟的准确性。

      “我们的目标是建立一个可靠的预测技术,以帮助改善涡轮机组件的设计,”陈博士说:“CFD模拟和实验的成功结合,可以大大帮助对燃气轮机系统的基本流体行为的理解,从而提高了工程师开发更先进发动机部件的能力。”

      陈的团队调查了当前业内的三个具体研究领域:流固耦合相互作用、主动流体控制和涡轮气膜冷却。改进的数值模拟,将允许工程师分析复杂的流场和气动弹性现象,如流固相互作用产生的振翼、极限环振荡、强迫响应、非同步振动和分离流振动。

      陈先生在1991年和1987,在密西西比州立大学航空航天工程学院年获得了他的博士和硕士学位,1980年在东海大学工业工程学院获得学士学位。这项研究“空气呼吸推进系统的旋转组件的数值调查”获得空军科学研究局和N&R工程的资助。

(图为:陈正平美国俄亥俄州州立大学的研究团队使用俄亥俄州超级计算机中心资源创建几个瞬时图像之一:ISO-表面着色速度的大小)