来流湍流度对超高负荷低压涡轮附面层流动控制手段的影响

实验研究了表面粗糙度耦合上游尾迹的流动控制技术,分析了来流湍流度（FSTI）在流动控制过程中对叶片吸力面附面层分离、转捩特性的影响.实验发现:在速度峰值点至分离点之间布置粗糙高度与弦长之比为1.05×10-4的粗糙条带可以在来流湍流度为0.4%与2.2%的低雷诺数范围内降低叶型损失.在雷诺数为85000的状态下,FSTI影响了尾迹通过区、尾迹诱导转捩区及自然转捩区的附面层动量厚度,造成了叶型损失的差异,但FSTI对抑制区的影响较小.      

一种大负荷低压涡轮叶型的气动性能

基于Lantry-Menter转捩模型,分别对Zweifel升力系数为1.2的一种大负荷低压涡轮叶型在定常来流不同湍流度、雷诺数条件下,上游非定常、周期性尾迹作用下的流动进行了数值模拟.计算结果表明,定常来流低雷诺数条件下,湍流度对该大负荷叶型的气动性能影响较大;上游非定常、周期性尾迹对叶型吸力面分离泡的抑制作用可进一步减小低雷诺数条件下的叶型损失.计算结果揭示了该大负荷叶型在低压涡轮内部真实流动环境中的表面流动及损失特征,对国内现行低压涡轮设计有着较好的启示.      

有/无尾迹作用下低压涡轮叶栅分离边界层转捩的大涡模拟

采用经过大量算例验证的可压缩大涡模拟求解器对雷诺数为60154、马赫数为0.402的低压涡轮叶栅T106D-EIZ进行了细致模拟,计算了定常来流和周期性尾迹来流两种工况.对计算结果的分析表明:定常来流工况下,叶片吸力面后部出现大尺寸的层流分离泡,分离剪切层的转捩过程受Kelvin-Helmholtz （K-H）不稳定性控制;尾迹来流工况下,由于来流尾迹的周期性扫掠,时均分离泡尺寸变小,叶栅总压损失降低.对相位平均和瞬态流场的分析表明,尾迹引起的逆射流使分离点后移,形成卷起涡结构,逆射流掠过卷起涡的过程中与其发生强烈的相互作用,产生大量气动损失,而后卷起涡破碎,流动转捩为湍流.      

高负荷低压涡轮边界层转捩的实验研究

为了研究高负荷低压涡轮边界层的非定常转捩过程及雷诺数对尾迹边界层相互作用机制的影响,采用热线和表面热膜测试技术在高负荷叶栅实验台上对吸力面边界层的非定常时空演化进行了实验测试。结果表明:高负荷叶型的吸力面边界层在没有来流尾迹作用的情况下会不可避免地发生分离。分离剪切层中的K-H无粘不稳定机制主导了失稳转捩过程;来流尾迹的逆射流会与边界层相互作用,产生卷起涡结构,从而促进分离剪切层的转捩过程。边界层的分离被转捩产生的湍流条带及其后的寂静区抑制;随着雷诺数降低,分离点向上游移动11.4%吸力面弧长,分离泡的流向和法向范围扩大,尾迹引起的卷起涡结构尺度也随之变大。雷诺数通过改变分离剪切层的状态对转捩机制产生影响。     

尾迹诱导下低压涡轮边界层转捩的数值模拟

为研究尾迹诱导下低压涡轮的边界层发展,采用基于三阶MUSCL-Roe格式、引入转捩准则后的一方程Spalart&Allmaras模型和隐式牛顿迭代时间推进的非定常雷诺平均计算方法,对上游运动圆柱产生的周期性尾迹作用下的T106低压涡轮叶片边界层转捩流动进行了数值模拟。定常来流下,准确捕捉到分离诱导转捩及雷诺数效应现象;尾迹作用下的非定常计算,则揭示了尾迹在叶栅通道内的输运过程,及尾迹对低压涡轮吸力面上层流分离的抑制作用。     

大负荷低压涡轮叶型分离转捩流动的大涡模拟

应用动力模式大涡模拟数值方法,对来流无扰动、不可压、雷诺数为5×104(基于进口速度和轴向弦长),定常来流条件下大负荷低压涡轮叶型(Pak B)叶型吸力面非定常分离转捩流动进行了三维数值模拟。在与相关实验数据的对比基础之上,对非定常流动物理信息进行了详细的分析讨论,揭示了计算来流状态下的Pak B叶型吸力面非定常分离转捩流动机理。结果表明,由无粘Kelvin-Helmholtz机制产生的、空间线性增长的初始二维不稳定性在分离剪切内诱导展向旋涡形成并脱落,脱落过程中的展向涡在非线性增长的三维不稳定性作用下发生变形并最终破碎成湍流。计算得到的Kelvin-Helmholtz不稳定性特征频率处于相关实验测量范围内。     

低压涡轮叶型边界层相互作用的数值模拟

基于Lantry-Menter转捩模型,应用商用流体计算软件求解非定常雷诺平均N-S方程组,对进口雷诺数为2.5×104,来流湍流度为2.5%,尾迹折合频率为0.92状态下的尾迹/PAK-B叶型边界层的相互作用进行了数值模拟。数值计算揭示的尾迹在叶栅通道中的输运特性、尾迹诱导卷起涡形成、尾迹诱导边界层转捩等物理机制大致符合相关实验定性描述。     

基于表面热膜的超高负荷低压涡轮叶栅附面层特性

利用表面热膜测量了定常来流条件下某超高负荷后加载叶型吸力面附面层的分离流动,并与壁面静压实验结果进行了对比.结果表明,热膜用于超高负荷低压涡轮叶型附面层流动测量可靠性较高;热膜测得的准壁面剪切应力及相关统计参数能准确地判断附面层分离、再附着和转捩位置;在低雷诺数条件下,分离泡尺寸和转捩区长度随来流雷诺数的减小而增加.     

来流条件对超高负荷低压涡轮附面层非定常特性影响的实验研究

为深入探索尾迹与附面层的相互作用机理及其对叶型损失的影响,对IET-LPTA后加载超高负荷低压涡轮叶型的定常与非定常气动特性进行了实验研究。实验在低速二维叶栅风洞上进行,该风洞通过上游辐条对尾迹进行模拟,采用热线探针与三孔气动探针作为测试手段。实验发现上游尾迹在低Re状态下对吸力面分离具有较强的抑制作用,可以降低叶型损失。同时研究了不同雷诺数(Re)与来流湍流度(FSTI)对上游尾迹与附面层相互作用机理的影响,发现Re对叶型损失的影响是单向有利的,发现FSTI对叶型损失的影响是双向的。     

高负荷低压涡轮内部非定常流动机理及其控制策略研究进展

低压涡轮湍流问题是制约高性能航空发动机研制的难点之一。为了理清低压涡轮内部湍流流动机理,并掌握相应的控制策略,获得计及非定常流动特征的高负荷低压涡轮气动设计方法,基于课题组长期从事高负荷低压涡轮的研究基础之上,结合国内外低压涡轮大量研究工作,系统地介绍了尾迹扫掠下低压涡轮叶片吸力面附面层发展演化过程、端区二次流非定常特征变化以及相应的流动损失机制及其抑制方法。优化叶片载荷分布在一定程度上能够减小叶型损失和二次流损失;尾迹扫掠能够诱导吸力面附面层发生转捩从而减小叶型损失,同时也有助于抑制端区二次流的发展,但在不同雷诺数下,尾迹的作用效果可能不同;对于高/超高负荷低压涡轮,特别是在低雷诺数条件下,需要借助有效的流动控制手段来抑制分离。     

正攻角状态下尾迹对低压涡轮附面层的渗透及转捩的影响

为研究正攻角状态下尾迹对低压涡轮附面层的渗透以及转捩过程的影响,分别在设计攻角和+10°攻角下,对高负荷低压涡轮叶型的吸力面附面层流动进行了数值模拟与实验。数值模拟使用CFX软件,采用大涡模拟模型。结果表明+10°攻角下,尾迹对附面层转捩过程的促进作用比设计攻角下更为显著,这是由于正攻角下的尾迹中心射流与吸力面切向的夹角更大,使得尾迹扰动渗透入附面层的深度更深,尾迹放大Klebanoff条纹强度更强,尾迹诱导转捩起始位置更靠上游。     

非设计状态下尾迹输运对高负荷低压涡轮附面层的影响

为了研究非设计状态下的上游尾迹在叶栅通道内的形态演化与发展,分析尾迹与叶片吸力面附面层的相互作用,基于高负荷低压涡轮(LPT)叶型Packb对非设计状态下尾迹输运进行了研究。研究主要通过数值模拟的方法进行,使用CFX软件,利用LES模型耦合Smagorinsky亚格子模型。讨论了非定常来流0°和+10°攻角工况下,尾迹与吸力面附面层相互作用的差异。分析发现,+10°攻角工况时,尾迹对附面层转捩的促进作用较0°攻角工况时更为显著;+10°攻角工况时,尾迹与附面层的相互作用时间更长,尾迹诱导转捩的起始位置更靠上游。     

尾迹对低压涡轮端区非定常流动影响的数值研究

为提高尾迹对涡轮端区二次流影响的认识,利用尾迹降低端区损失,采用了数值模拟的方法对T106A非定常工况下的叶栅流动进行模拟,辅以实验进行校核。以上游尾迹对端区附面层的抬升作用和上游尾迹对叶栅通道前部涡系结构的破坏作用为切入点,分析尾迹对端区二次流非定常发展过程的影响。研究发现尾迹中心离开叶栅通道时,尾迹对叶栅端区二次流起抑制作用;当尾迹尾部离开叶栅通道时,尾迹卷起的轮毂附面层激励了端区二次流,使二次流更加活跃。     

Unsteady experimental and numerical investigation of aerodynamic performance in ultra-high-lift LPT

Detailed experimental and numerical investigations were performed for an ultra-high-lift front-loaded low-pressure turbine cascade (Zw = 1.58) with periodic wakes. The interaction mechanisms between the incoming wakes and endwall secondary flow were carefully examined. Wakes were produced by moving upstream rods, and flow field downstream of the cascade was measured using a seven-hole probe. Experimental results revealed that incoming wakes influenced not only the boundary layer development of the blade suction surface but also the complex endwall secondary vortex structures. On the suction surface: Incoming wakes clearly suppressed the suction side separation bubble at a low Reynolds number of 25000. Nevertheless, the effects of different wake passing frequencies were not significantly different at Re = 100000, and the profile losses under wake passing were even greater than in the absence of wakes. At the endwalls: Incoming wakes more strongly suppressed secondary flow at Re = 100000 than at Re = 25000, because the low-momentum fluid inside the incoming wakes clearly increased the endwall cross-passage pressure gradient at Re = 25000. The experimental results indicated that periodic wakes decreased the passage vortex and counter vortex core strength by 25% and 30%, respectively, at Re = 100000. Instantaneous results also demonstrated that endwall secondary vortices decreased significantly near the position of wakes passing.     

尾迹扫掠下超高负荷低压涡轮叶片附面层特性

利用表面热膜测量上游尾迹周期性扫掠下某超高负荷低压涡轮叶片吸力面附面层的非定常流动特性.通过热膜测得的准壁面剪切力及其统计参数云图分析了尾迹与附面层的相互作用对分离、转捩及再附过程的影响.实验结果表明:对于低雷诺数Re超高负荷产生较大分离泡的情形,尾迹扫掠对涡轮叶片附面层的发展具有显著影响,能够有效地抑制附面层的流动分离.      

尾迹对压气机转子性能影响的非定常数值模拟

采用三维粘性非定常数值模拟方法,研究了上游尾迹对轴流压气机转子性能及其尖部非定常流动的影响.结果表明,在一定情况下,上游静子尾迹与转子内部流动的非定常相互作用,有可能改善近失速点的气动性能,如转子压比和效率升高,工作范围增大.其原因主要为:上游静子尾迹使转子尖区一次泄漏涡强度减弱,减少了二次泄漏涡强度或抑制了二次泄漏涡的产生,最终导致尖区损失减少;此外,尾迹使尖区激波位置后移,改变了尖部弦向的负荷分布,最终导致压气机稳定工作范围增大.     

The role of transition in high-lift low-pressure turbines for aeroengines

The fan of a high bypass ratio turbo fan engine produces up to 80% of the total thrust of the engine. It is the low-pressure (LP) turbine that drives the fan and, on some engines, a number of compressor stages. The unsteady aerodynamics of the LP turbine, and in particular, the role of unsteady flow in laminar–turbulent transition, is the subject of this paper.The flow in turbomachines is unsteady due to the relative motion of the rows of blades. In the LP turbine, the wakes from the upstream blade rows provide the dominant source of unsteadiness. Because much of the blade-surface boundary-layer flow is laminar, one of the most important consequences of this unsteadiness is the interaction of the wakes with the suction-side boundary layer of a downstream blade. This is important because the blade suction—side boundary layers are responsible for most of the loss of efficiency and because the combined effects of random (wake turbulence) and periodic disturbances (wake velocity defect and pressure fields) cause the otherwise laminar boundary layer to undergo transition and eventually become turbulent.This paper discusses the development of unsteady flows in LP turbines and the process of wake-induced boundary-layer transition in low-pressure turbines and the loss generation that results. Particular emphasis will be placed on unsteady separating flows and how the effects of wakes may be exploited to control loss generation in the laminar–turbulent transition processes. This control has allowed the successful development of the latest generation of ultra-high-lift LP turbines. More recent developments, which harness the effects of surface roughness in conjunction with the wakes, are also presented.     

尾迹与涡轮叶栅边界层的相互作用

通过实验和数值模拟的手段研究了尾迹与边界层的相互作用,其中上游叶排尾迹的模拟是通过在涡轮叶栅前设置周期性运动的圆柱实现的.研究表明,上游尾迹对涡轮叶栅边界层的发展有显著影响,在其作用下,吸力面边界层提前转捩,分离得到明显的抑制,利用尾迹与边界层相互作用的非定常效应可以明显提高低压涡轮叶栅气动负荷.