课程大纲

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叶轮机械原理与内部流动

课程编码:082502M04002H 英文名称:Principles and Internal flow of Turbomachinery 课时:80 学分:5.00 课程属性:专业核心课 主讲教师:杜娟等

教学目的要求
叶轮机械作为一种能量转换的通用机械,在航空发动机、燃气轮机、汽轮机、水轮机以及各类泵、鼓风机和通风机等众多领域和行业中得到广泛应用。本课程为航空宇航推进理论与工程学科研究生的专业核心课程。主要包含叶轮机械内部流动和叶轮机械原理两部分内容,通过本课程的学习,进一步加深学生对工程热力学和工程流体力学中基本原理的认识和应用,掌握从理解基本概念到应用、分析基础理论的能力,对叶轮机械有总体认识,掌握叶轮机械基本概念、基本理论、工作原理、工作特性、基本设计理论和实验方法,理解叶轮机械内部复杂的流动性质及其流动参数变化规律等,获得初步的叶轮机械设计经验,并了解叶轮机械领域最新的发展动向和学科前沿,为后续从事叶轮机械相关专业工作奠定基础。

预修课程
气体动力学,流体力学,工程热力学

大纲内容
第一章 课程内容和结构 2学时 杜娟
第1节 课程介绍
第2节 课程的学习目标和可衡量的结果
第3节 先决条件的讨论
第4节 概念问题的目的和发展,“什么是概念问题”
第二章 一些有用的基本思想介绍 6学时 杜娟
第1节 不可压缩流动假设
第2节 叶轮机械中对上游流动的影响
第3节 压力场和流线曲率:自然坐标下的运动方程
第4节 准一维定常可压缩流动
第5节 激波
第6节 出口边界条件对定常、等熵、一维可压缩管道流动的影响
第7节 运动方程积分形式的应用;流体机械和推进系统内部流动的控制体方法描述和应用
第8节 管道和通道中的边界层特征
第9节 流体装置的流入和流出:实际流体运动的分离和不对称性
第三章 涡量和环量 10学时 杜娟
第1节 介绍—有用的概念
第2节 涡量动力学
第3节 流体运动中的环量变化
第4节 旋转流动中的涡量和环流描述
第5节 概念的进一步应用
第四章 损失来源和损失核算 10学时 杜娟
第1节 概念介绍—损失度量
第2节 边界层损失
第3节 掺混损失
第4节 非均匀流动的平均—什么是“损失”
第5节 掺混损耗的更多方面,例子和应用
第五章 旋转通道中的流动 8学时 杜娟
第1节 介绍—有用的概念
第2节 旋转占主导地位的流动现象
第3节 在等面积直通道中的旋转流动
第4节 叶轮机械通道中的旋转流动
第六章 非定常流动 4学时 杜娟
第1节 介绍—有用的概念
第2节 流体系统中的波和振动
第3节 压气机稳定性建模要素
第七章 叶轮机械总体介绍 3学时 卢新根
第1节 叶轮机械定义与分类
第2节 叶轮机械工作原理与结构简介
第3节 叶轮机械内部流动的复杂性及简化模型
第4节 叶轮机械的设计过程简介
第5节 叶轮机械领域最新的发展动向和学科前沿
第八章 气动热力学基本方程在叶轮机械中应用 3学时 卢新根
第1节 连续方程
第2节 热焓形式的能量方程
第3节 热力学第一定律方程
第4节 机械能形式的能量方程
第5节 动量守恒方程
第6节 动量矩方程
第九章 轴流压气机基本工作原理 10学时 卢新根
第1节 轴流压气机的增压比和效率
第2节 轴流压气机的基元级和基元级的速度三角形
第3节 基元级的基本理论
第4节 压气机平面叶栅流动
第5节 压气机一级中的流动
第十章 轴流压气机气动设计方法 6学时 卢新根
第1节 轴流压气机设计发展概述
第2节 轴流压气机简化分析方法
第3节 轴流压气机叶片造型方法
第4节 多级轴流压气机气动设计中的基本问题
第5节 全三维数值计算在叶轮机械气动设计中的应用
第6节 轴流压气机气动设计某些发展趋势
第十一章 轴流压气机性能特性 8学时 卢新根
第1节 相似理论在叶轮机械中的应用
第2节 轴流压气机通用特性曲线
第3节 轴流压气机相似准则的应用
第4节 性能曲线测试方法与轴流压气机特性实验
第5节 压气机内部不稳定工况
第6节 压气机扩稳方法
第十二章 离心压气机基本工作原理及设计方法 4学时 卢新根
第1节 离心压气机的工作过程与性能参数
第2节 离心压气机的叶轮理论
第3节 离心压气机的固定元件
第4节 离心压气机的工作轮损失
第5节 离心压气机的试验及性能曲线
第6节 离心压气机设计理论与设计方法
第十三章 涡轮工作原理及特性 6学时 卢新根
第1节 轴流涡轮的工作原理
第2节 涡轮基元级的损失
第3节 涡轮级和多级涡轮
第4节 涡轮特性
第5节 向心涡轮
第6节 涡轮新技术的发展和应用

教材信息
1、 Internal Flow: Concepts and Applications Greitzer, E., C. Tan, and M. Graf 2004 Cambridge, UK: Cambridge University Press

参考书
1、 Axial-Flow Compressors: A Strategy for Aerodynamic Design and Analysis Ronald H. Aungier 2003 NEW YORK ASME PRESS

课程教师信息
卢新根,研究员,博士生导师,生于1978年08月,1997年至2007年就读于西北工业大学航空发动机系,获得工学学士、硕士及博士学位;2007年进入中国科学院工程热物理研究所从事博士后工作;2009留所后聘为副研究员、项目研究员、研究员;先后入选了国防科技领域卓越青年科学基金(2019年)、“万人计划”科技创新领军人才(2019年)、“万人计划”国防科技领域青年拔尖人才(2015年)和“科技创新人才推进计划”中青年科技创新领军人才(2018年),目前担任“先进轻型航空动力”国防科技创新团队负责人、航空发动机及燃气轮机基础科学中心气动热力学专家组副组长、中国空气动力学会计算空气动力学专业委员会委员和中国科学院青年促进会优秀会员。长期从事航空发动机气动热力学研究,作为项目负责人,承担了航空发动机及燃气轮机重大专项基础研究、国家自然科学基金重点项目、民用飞机科研重大、总装探索重大等国家级项目30余项。结合项目研究,已经在国际国内核心刊物、国内外重要学术会议上发表论文160余篇,授权/申请国家发明专利70余件;先后获得国家科技进步二等奖(排名第三)、国防技术发明奖二等奖(排名第一)、中国科学院杰出成就奖(突出贡献者)、国防科技工业突出贡献奖、军队科学技术进步一等奖(排名第三)、中国科学院青年科学家奖、吴仲华优秀青年学者奖、法国赛峰科技奖、中国科学院王宽诚博士后工作奖励基金和全国百篇优秀博士学位论文提名等多项奖励。

杜娟,中国科学院工程热物理研究所研究员,博士生导师,先进燃气轮机实验室副主任。2005年本科毕业于北京科技大学,2010年在中国科学院工程热物理研究所获工学博士学位,先后受国家留学基金委和德国洪堡基金会资助,在美国圣母大学(2009-2010)、德国汉诺威大学(2014-2016)开展研究工作。现担任国家基金委基金项目评审专家、中央军委科技委先进动力领域专家组成员、国际SCI学术期刊《Journal of Thermal Science》与《International Journal of Aerospace Engineering》编委、亚洲燃气轮机(ACGT)国际学术会议组委会委员。2020年入选中华全国青年联合会委员会第十三届委员和中央和国家机关青年联合会委员会第一届委员。长期围绕航空发动机/燃气轮机压气机的气动稳定性和效率问题开展研究工作,先后主持国家自然科学基金青年、面上和优秀青年项目3项、国家航空发动机及燃气轮机重大专项和军委科技委创新特区等10余项科研项目。在ASME Journal of Turbomachinery、Energy等航空、能源、动力领域重要期刊和会议上发表学术论文60余篇,其中SCI论文37篇,申请国家发明专利14项,授权7项,申请国际专利3项,研究成果被《中国科学报》和中科院青年之声报道。先后获德国洪堡学者、教育部博士研究生学术新人奖、AFMC Young Engineer Award、国家优秀青年基金、中国工程热物理学会吴仲华优秀青年学者、中国科学院青年创新促进会优秀会员、中国科学院青年学习标兵和中央与国家机关青年学习标兵等荣誉称号。