等离子体激励位置对抑制压气机角区分离效果的影响

为了揭示等离子体气动激励对角区分离的作用效果,应用FLUENT软件数值模拟了等离子体激励器对压气机叶栅角区分离的影响.采用等离子体激励器的简化唯象模型,在压气机叶片吸力面和端壁不同位置沿流向施加激励,对总压损失系数、极限流线、不同截面流动情况进行了比较分析.结果表明:吸力面激励对角区分离改善有限,角区未失速时,近分离点前是激励最佳位置,角区失速后,激励位置越靠前效果越好;端壁流向激励能明显减小角区分离损失,分离点至叶片前缘任何位置施加激励效果一样;组合激励同时减小吸力面边界层和端壁边界层损失,使角区分离消失且不受攻角变化影响.     

融合宽度及位置对叶身/端壁融合叶栅性能影响的数值研究

角区分离是制约压气机负荷提升的关键因素,叶身/端壁融合设计(BBEW)可有效组织角区流动,减弱或消除分离。为了研究融合宽度及其弦向位置两个关键设计参数对性能影响,采用经实验校核的数值方法对所设计原型叶栅及9种叶身/端壁融合叶栅进行研究。结果表明:所设计原型叶栅出口下游截面高损失核心区域的展向位置随攻角增大而逐步抬高;叶身/端壁融合叶栅融合位置位于分离点前、后对性能影响孑然不同:融合位置位于分离点前,叶身/端壁融合叶栅效果随来流攻角增加而逐渐显现,在+10°攻角下最佳融合方案可使14%展高处总压损失减小16.2%;但融合位置位于流动分离起始点之后会在全工况内增大损失。融合宽度则存在最佳值,应小于来流附面层厚度。     

端壁组合射流对高速扩压叶栅损失特性的影响

提出了一种端壁组合射流技术以控制进口马赫数0.67的高速扩压叶栅端区流动。通过前缘射流旋涡可以增强端壁附面层与主流间的流体交换,阻碍横向二次流动,减小角区低能流体堆积;而采用角区射流注入能量能够进一步减弱吸力面侧流动分离。以上组合控制方法可较单独采用前缘或角区射流更有效减小栅内损失,提高其气动性能。当角区射流位于近吸力面侧的分离起始位置附近时,其改善栅内流动的效果最佳;远离吸力面的端壁射流则可抑制端区低能流体横向迁移及其与分离区流体间的相互作用,但其减小损失的效果弱于近吸力面侧的射流。随着射流总压比的增加,组合射流减小损失的效果先增加后减小;过大的总压比会加剧射流与来流间的掺混损失,使得叶栅气动性能恶化。当射流总压比为1.2时,损失减小最大可达12.6%,而射流流量仅相当于叶栅进口流量的0.64%。     

端壁抽吸位置对大转角扩压叶栅流场及负荷的影响

实验研究了低速条件下在端壁近吸力面处进行附面层吸除对某大转角扩压叶栅性能的影响.对叶栅出口截面参数和叶片型面静压进行了测量,并在叶片表面及端壁进行了墨迹流动显示.结果表明,端壁抽吸主要影响了吸力面/端壁角区,重新分配叶片根部负荷.在角区未发生分离的位置开始抽吸可有效推迟叶栅内的角区分离,降低损失,改善叶栅端区流动;而在角区已经发生分离的弦向位置开槽吸气则引起了局部回流,恶化了流场,增加了低能流体的掺混和气动损失.     

针对轴流压气机的非轴对称端壁造型优化设计

针对某轴流压气机构建了一种新的非轴对称端壁造型,该造型可通过抑制角区分离来达到减小通道内二次流损失的目的。首先,在设计工况下,针对基准叶栅建立非轴对称端壁的自动优化设计方法。然后,在设计和非设计工况下,用NUMECA/Fine turbo模块分别对基准叶栅和优化叶栅进行定常流场计算。结果表明,两种工况下,优化叶栅有效抑制了角区分离,原因为非轴对称端壁造型改变了通道内的涡系结构;优化叶栅出口截面总压损失系数显著降低,叶栅出口气流角更加均匀和平衡。     

端壁倒圆对高负荷压气机叶栅性能及流场影响的机理探究

为了改善压气机端壁区流动状况,减小流动损失,对一大尺度低速(不可压)压气机叶栅设计了五种倒圆结构。通过Numeca全三维数值方法进行模拟,结果表明,在原叶栅失速工况下,损失降低最多的达到了5.22%,但在设计工况下增加了1.12%。分析了此叶栅端壁区性能及流场改善的机理,给出了其余四种结构效果不佳的原因。对于效果最好的叶栅,倒圆的存在将失速因子降低了41.29%,使其能够适应更大的来流攻角范围。近端壁处吸力面的流动分离得到明显抑制,马蹄涡强度和逆流区减小,出口流动更加均匀,二次流能量显著减小,从而在整体上降低了损失,改善了角区流动。     

高负荷压气机叶栅分离结构及其等离子体流动控制

 为揭示高负荷压气机叶栅内部流动损失的产生机理和分布规律以及等离子体气动激励的作用机制,利用拓扑分析和数值计算方法,从计算模型的建立与验证、基准流场的分离结构和等离子体流动控制3个方面展开研究;对总压损失系数分布、拓扑结构和表面流谱与空间流线分布以及旋涡结构进行分析,并开展了激励方式的优化分析.结果表明:随着攻角的增大,固壁面拓扑结构增加了3对奇点,吸力面流向激励改变了固壁面拓扑结构.当攻角为2°时,在吸力面拓扑结构中产生了一对奇点,打断了角区分离线,并引入了一条回流再附线.叶栅流道内部有5个主要涡系,尾缘径向对涡促进流体的展向流动,并成为吸力面倒流的主要组成部分;角涡是一个独立的涡系,其强度和尺度不受等离子体气动激励的影响.吸力面流向激励可以改善叶中流场,但对角区流动作用很小;端壁横向激励可以降低角区流动损失,对叶中流场作用有限;吸力面流向与端壁横向组合激励在整个叶高范围内均可以显著抑制流动分离;端壁横向流动对角区流动分离结构的影响大于吸力面附面层的分离.吸力面流向激励的优化明显降低,而端壁横向激励和组合激励的优化保持并增强了等离子体流动的控制效果.     

大转角涡轮叶栅复合弯曲定性分析与应用验证

通过定性推导分析了复合弯曲对叶栅吸力面静压分布与端部周向迁移流体折转过程的影响,明确了复合弯曲对大转角高负荷平面涡轮叶栅流场的影响机制,并结合已有仿真结果进行了初步验证。复合弯曲是在反弯叶片吸力面端部进行局部正弯,令叶片压力面反弯、吸力面端部正弯结合叶身反弯的造型方式。研究表明,复合弯曲设计通过改变吸力面低能流体的展向迁移趋势与周向迁移流体的折转趋势抑制了叶栅二次流的发展。一方面,复合弯曲设计调节了叶展中部与叶栅端部附近吸力面逆压梯度与展向静压梯度分布,抑制了吸力面低能流体向脱落涡与壁角涡高损失区的迁移与堆积;另一方面,复合弯曲设计影响了周向迁移流体折转过程,抑制了周向迁移流体向叶栅端部的折转及其折转过程中与吸力面附近流体的掺混。因此,复合弯曲设计能够在常规反弯基础上进一步改善叶栅流场。      

叶根开槽叶栅对角区分离的控制

吸力面/端壁角区的分离是轴流压气机流场中固有的现象。本文采取在叶根处开槽的方法,利用压力梯度从叶片压力面向叶片吸力面引入一股射流增加分离区的能量,从而减缓分离。通过数值模拟的方法分析了在不同攻角下槽的位置、大小和形状对扩压叶栅性能的影响,计算结果初步表明,在非设计工况下适当位置、大小和形状的槽可以有效地减小角区分离。     

变攻角下被动射流旋涡对高速扩压叶栅性能的影响

对被动射流旋涡(PJV)控制高速扩压叶栅内的流动分离控制展开数值研究,并探究其在变工况条件下的适应特性。结果表明,PJV在设计攻角下可使叶栅总压损失系数降低5.2%,变攻角条件下的损失降低幅度最高可达7.8%,表明其具有较高的控制效率和良好的变工况适应特性。随着攻角的增大,吸力面分离位置提前,射流出口与分离区间的距离减小,PJV能够更为有效地促进附面层内低能流体与主流间的动量交换,使得壁面涡结构得到重新组织,并进一步影响通道涡、集中脱落涡等涡系结构的发展,从而推迟流动分离、减小损失。在综合考虑变攻角流场特性的前提下,应使PJV的作用位置位于分离区上游不远处,所研究的最佳射流位置位于叶片前缘上游40%轴向弦长处。      

叶尖掉块对跨声速压气机气动性能影响

为了支撑服役环境下压气机气动性能的评定,通过数值仿真研究了叶尖掉块对跨音速压气机转子气动性能的影响规律和机制。首先利用实验结果对数值仿真方法进行校验,验证了方法的可靠性,进一步对不同形式叶尖掉块下压气机气动性能进行了仿真分析。研究结果表明转子叶尖掉块会使得压气机正常工作状态下压比和效率略有降低,导致压气机近失速点流量明显增大;在大流量工况下压气机气动性能与掉块叶片的相对位置并无直接关联,但在近失速点,掉块叶片不相邻时会使得对压气机压比和效率下降更多,但近失速点流量对掉块叶片相对位置的变化并不敏感;转子叶尖掉块会增强叶尖区域泄漏流动,强的泄漏流动与叶片通道激波发生相互作用会引起泄漏涡的破碎,引起较大的流动堵塞和损失,导致压气机气动性能衰减;掉块叶片产生的流动堵塞和吸力面气流的膨胀加速会影响到吸力面侧的掉块叶片,进而限制泄漏流的发展,使得流动堵塞和损失维持在较低水平,但这种影响会随着掉块叶片距离的增大而减弱。     

不同转速下跨声速轴流压气机内部流动失稳的机理

以跨声速轴流压气机转子NASA Rotor 67为研究对象,采用数值模拟方法,开展100%、80%及60%转速下跨声速轴流压气机内部流动失稳触发机制的机理研究。数值结果与实验数据的对比分析表明:在3个转速下,数值总性能曲线的变化趋势与实验数据符合一致。通过压气机内部流场的详细分析,得出其基本流动机理。在3个转速下,随着压气机节流,叶顶泄漏涡(TLV)的起始位置逐渐向叶片前缘移动,叶顶泄漏涡也逐渐向相邻叶片压力面偏转,相比近峰值效率点,近失速点时在100%、80%以及60%转速下叶顶泄漏涡的偏转角度分别为3°、6°和9°。在100%和80%转速下,叶顶泄漏涡与激波相互作用所导致的堵塞是触发压气机内部流动失稳的机制,并且在80%转速下,叶顶泄漏涡发生破碎;而在60%转速下,泄漏涡在相邻叶片出现的叶顶前缘溢流(LESF)是触发压气机内部流动失稳的主要机制,叶片吸力面尾缘出现的小尺度附面层气流分离(BLFS)不是主要机制。      

离心压气机失速模式及自循环机匣处理的作用机制

通过对离心压气机不同转速下实壁机匣和处理机匣两种状态流场的数值模拟,研究了失速模式随转速的变化及不同失速模式下机匣处理作用机制的转变.结果表明:随转速的降低,失速模式由100%设计转速时的扩压器失速逐步向导风轮失速过渡,导风轮失速也经历了由80%设计转速时的端壁失速和叶片前缘失速向50%设计转速的通道大范围完全失速的发展过程.自循环机匣处理对离心压气机失速裕度和效率的影响都与失速模式紧密相关,其扩稳作用仅对80%设计转速时的叶片前缘失速有效.在80%左右设计转速,机匣处理使主流效率有朝大流量工况点变化的趋势,从而使效率降低.当转速低至50%设计转速时,主流通道形成大范围回流区,机匣处理的二次回流可以减少叶轮对通道回流区气流的做功量,从而提高效率.      

处理机匣情形下的轴流压气机转子失速

为了解在处理机匣作用下的压气机转子失速点流动,采用非定常模拟方法对跨声轴流压气机转子在带气室斜槽处理机匣情形下的流动进行了模拟研究,获得了高、低转速下的转子特性,并针对近失速点流场进行了分析.结果表明,在处理机匣的作用下,转子失速的主要产生原因与实壁情形不同.在失速点,处理机匣有效地抑制了叶尖泄漏流的负面作用,但由于不能更多地吸纳叶尖的低能流体,使得叶片吸力面附面层中向叶尖迁移的低流向动量流体堆积于叶尖吸力面尾缘处,形成严重的流动堵塞,从而导致转子叶尖失速.      

压气机二维动叶栅非定常流场的大涡模拟

对压气机二维动叶栅,采用单通道和多通道计算模型进行了大涡模拟(LES),研究了节流过程中内部流场的非定常波动特征,分析了旋涡结构和波动频率的变化规律.结果表明:大流量工况时,前缘绕流和叶片吸力面分离产生的两种非定常波动共存,波动频率随压气机节流基本保持不变,此时吸力面分离表现为小尺度旋涡结构;近失速工况时,吸力面发生大尺度的流动分离,波动频率明显下降,低于叶片通过频率.      

斜流压气机串列转子流场特性分析

以斜流压气机串列转子为研究对象,运用CFD软件进行了数值模拟,获得了该压气机在100%和80%设计转速下S1流面流场、子午流场、阻塞工况及近失速工况的流场特性,为斜流压气机串列转子的设计和性能分析提供参考。研究结果表明:该斜流压气机在设计转速(69900 r/min)下超声速特性明显,特性曲线较陡峭;当转速小于80%设计转速时亚声速特性明显,特性曲线较平缓。随着转速的减小,压气机的稳定裕度逐渐增大。该斜流压气机串列转子叶根和叶中截面的损失主要来源于叶型尾缘的掺混损失和叶型吸力面的小范围激波损失;而叶尖截面的损失主要来源于叶型吸力面的大范围激波损失、激波与附面层的相互影响的损失和激波与叶尖泄漏流相互作用的损失。该斜流压气机进入近失速工况后,前排转子的激波强度进一步增大,并且叶间存在大范围低速区,造成流动损失进一步增大。     

带周向单槽的低速轴流压气机失速起始过程

为了深入认识周向槽轴向位置对压气机失速机制的影响规律,针对某叶尖敏感的低速单转子压气机开展实验测量与数值模拟相结合的研究。实验与计算结果均表明,位于叶片弦长中部的周向单槽扩稳效果最好,而位于叶片前缘下游20%~30%轴向弦长位置的周向单槽扩稳效果最差。进一步分析了利用非定常、多通道计算模型获得的数值结果,发现对于光壁机匣和扩稳效果最好的周向单槽机匣,泄漏流与主流交界面在近失速工况下到达叶片前缘位置,压气机通过突尖型失速先兆进入失速状态;对于扩稳效果最差的周向单槽机匣,泄漏流与主流交界面在近失速工况下仍位于叶片通道内部距离叶片前缘20%的轴向弦长位置,压气机经历了由准模态型失速先兆向突尖型失速先兆转换的失速起始过程。     

压气机转子通道内尖区三维平均流场

在低速大尺寸压气机试验台上,借助旋转四坐标全电动探针位移机构,用锥形五孔压力探针分别测量压气机设计状态和近失速状态转子通道内尖区的三维平均流场,揭示压气机转子通道内尖部的流动结构及其变化     

通道前缘小叶片对轴流压气机叶栅气动性能的影响研究

为了更好地控制压气机静叶角区分离,结合翼刀和涡流发生器的流动控制思想,提出一种在叶栅通道前缘端壁设置小叶片的新型流动控制手段。以某高负荷轴流压气机叶栅为研究对象,基于数值方法深入分析了不同周向位置和安装角的小叶片对流场的影响。结果表明：小叶片存在提升叶栅气动性能的最佳周向位置和安装角范围。在近失速工况附近,小叶片可减缓角区分离,提高全叶高的扩压能力,但会不可避免地增加中间叶高位置处的流动分离和气动载荷;小叶片可减少角区分离损失和尾迹损失,提高各流向位置处的静压系数。小叶片能阻碍马蹄涡压力面分支发展,减缓叶栅前缘附近的横向二次流动。从小叶片叶顶泄漏的诱导涡可将马蹄涡压力面分支推向流向,带走端壁和角区附近的低能流体,从而削弱通道涡强度。     

间隙变化对压气机静叶叶栅气动性能的影响

利用压气机平面叶栅试验,在大负攻角工况、设计工况和角区失速工况下,研究间隙变化对叶栅气动性能的影响,并分析内部流动变化与气动性能变化的关联。试验结果表明,不同工况下间隙变化对流场结构的影响不同,因而对叶栅性能的影响规律也不同。大负攻角工况下,不同间隙叶栅内在压力面前缘附近都存在一对由端壁向叶展中部发展的分离涡,间隙增大可以使叶栅总损失近似线性减小,并使间隙侧气流折转能力略微提升。设计工况下,无间隙侧吸力面角区存在轻微的角区分离,小间隙（0.2%展长）的引入首先会加剧间隙侧角区分离,当间隙进一步增大时,角区分离消失并形成泄漏涡结构。叶栅总损失随间隙增大呈先增大后减小再增加的趋势,角区分离的消除有助于提高间隙侧气流折转能力。角区失速工况下,间隙的引入可以削弱并移除间隙侧角区失速结构,从而使叶栅总损失下降,并在0.5%展长间隙时达到最小值,同时间隙侧气流折转能力得到增强。当间隙进一步增大时,叶栅损失变化不大。在间隙变化过程中,两侧端部流动结构产生相互影响,使两侧流场性能变化呈相反趋势。通过对比全工况范围内的气动性能,叶栅在选取0.5%展长间隙时整体性能最优。