三维扩压叶栅非定常流动机理研究的频谱分析

计算了三维直叶栅在不同攻角、不同马赫数下的流动情况,得到流场的非定常解,并进行了频谱分析,对叶栅非定常流动的流场结构和流动机理做了初步的探讨。分析计算结果表明:在来流均匀,定常边界条件下,叶栅内流动仍然表现出强烈的非定常性。分离区和尾迹中的流动,以旋涡的有规律周期性脱落为主要的运动形式。旋涡脱落的频率,随着攻角和马赫数的变化而变化:同马赫数下,攻角越大,频率越低;同攻角下,马赫数越高,频率越高。同时,在同一工况下,旋涡频率沿叶高呈非均匀分布,叶中区域频率相对低,靠近端壁区频率相对高。      

基于DDES方法的叶栅分离旋涡的非定常流动数值研究

为了研究叶栅分离旋涡的非定常流动特性,选取亚声速叶栅为研究对象,进行了基于延迟分离涡模拟方法 (DDES)的非定常数值模拟。针对进口Ma0.3的情况,对比分析了进口攻角、叶栅稠度、叶片弯角、叶片中弧线弯度分布和叶片厚度等因素对于叶栅分离旋涡运动的影响。结果表明,当攻角增大时,尾迹附近流场会逐渐由定常模式转化为非定常对涡脱落模式,同时对涡脱落频率不断减小;随着攻角的进一步增大,叶背分离强度不断增加,叶背分离涡开始单独脱落,并主导流场旋涡运动。强烈的叶背分离涡脱落引起了叶片气动力的剧烈脉动,其幅值是小攻角状态下由尾迹对涡脱落引起叶片气动力脉动的30倍以上。叶栅几何参数的改变对于流场旋涡运动同样有很大影响,流场同样呈现出"定常尾迹"、"对涡脱落"、"叶背分离涡脱落"这三种主要的旋涡运动形式之一。叶背分离点的相对位置则是影响旋涡非定常运动形式和旋涡脱落频率的主要内在因素。     

二维涡轮叶栅流场的直接数值模拟

采用高精度有限差分格式求解非定常N-S方程组,对低雷诺数下二维涡轮叶栅流动进行了直接数值模拟,计算了雷诺数为10000,VKI涡轮叶栅在0°,8°以及-8°攻角下的流场,对涡轮叶栅非定常流动机理做了初步的探讨。计算结果表明:在叶栅尾缘处,逆时针方向和顺时针方向的主涡交替在壁面产生,并和主流相互作用产生二次涡,而当二次涡与主流连通发生掺混时,将引起主涡被分割并从叶片表面脱落;攻角在一定范围内的变化对VKI涡轮叶片表面边界层发展影响不明显。文中还对尾迹区的统计量特性和速度亏损特性等进行了研究。      

静子叶栅安装角异常非定常流场数值研究

为了研究静子叶栅安装角异常对叶栅通道流场的影响,利用商业软件NUMECA对二维叶栅某个叶片安装角增加5°不同攻角进行非定常流场数值模拟,得到了因安装角异常导致叶栅通道堵塞时对叶栅通道内的流场结构及叶片载荷的影响。结果表明,安装角调节5°时,在正攻角下,随着攻角的增大叶栅通道内流动不断恶化,吸力面出现大面积的附面层分离;负攻角时,气流比较平稳,但是漩涡脱落频率高达3500Hz。分析发现,安装角异常时攻角对漩涡尺度和脱落频率影响较大,其中叶片动态气动力脉动量迅速增大,可能是导致发动机叶片疲劳破坏的原因之一。     

静止环形扩压叶栅激励下的耦合流动分析

针对某静止环形叶栅的激励实验工作,相应的对扩压叶栅进行了不同气流攻角和激励频率的非定常粘性计算与流场分析。计算中,结合实验结果分析了在不同气流攻角下,激励频率对损失系数、负荷系数、功损比等性能的影响。计算结果揭示了在激励流动下流场的时空结构的变化是流场性能得到提升的根本原因。      

不同条件下平面叶栅风洞流场品质的实验研究

为了全面认识亚声速平面叶栅风洞的流场品质及其影响因素,以西工大高亚声速平面叶栅风洞为研究对象,实验测量并分析了空风洞的来流品质以及安装叶栅实验件后来流马赫数、来流攻角、叶片数对叶栅流场准确性、均匀性以及周期性的影响。研究结果表明：空风洞内主流区域宽广且基本均匀,马赫数偏差不超过0.005,气流角偏差不超过；加装叶栅实验件后的周向流场分布表现出不对称,靠近可移动上侧壁的三个通道的来流均匀性和准确性普遍较差,叶栅中间和偏向可移动下侧壁的通道来流均匀性和准确性较好；来流攻角对叶栅进口流场品质的影响比马赫数更大,在负攻角和较小的正攻角下,叶栅进口流场品质较好；在较大的正攻角下,叶栅来流均匀性和准确性明显下降；叶栅进口流场品质直接影响着叶栅通道内以及出口流场的周期性。     

亚声速扩压平面叶栅尾迹动态压力场测量与分析

为研究叶片在不同攻角下引起的气流分离对叶栅出口气流紊流度的影响,借助动态压力测量设备和测试技术,完成了某扩压平面叶栅在进口马赫数为0.677,攻角分别为0°、-10°和+8°三种典型工况下,尾迹非定常流动的测量。通过测量尾迹区域沿栅距方向和轴向的尾迹动态压力,并对动态压力数据进行时域分析,得到叶栅尾迹非定常流动的时均总压和压力脉动云图,揭示出尾迹区流动过程,同时还与叶栅的气动性能和气流稳定性进行了关联。     

叶栅安装角异常的非定常流场数值模拟

采用商用软件NUMECA对叶栅安装角异常进行二维流场定常和非定常数值模拟,并进行对比分析,得到了因叶栅安装角异常造成通道堵塞对该叶片以及相邻叶栅通道流场结构和非定常气动力的影响.结果表明:安装角异常角度大于0°时,主要对沿吸力面方向叶栅通道流场结构影响较大,随着安装角异常角度的增大,气流不断恶化,出现大面积的附面层分离,尾涡脱落主频率随着安装角异常角度的增大而减小,次频率随着安装角异常角度的增大而增大;并导致叶片非定常气动力相对脉动量迅速增大,这可能是导致叶片疲劳破坏的原因之一.     

低雷诺数效应对某可控扩散叶型性能的影响

为研究雷诺数效应对叶栅流动的影响,对某可控扩散叶型的平面叶栅流动进行数值模拟,计算在叶弦雷诺数分别为1×106,7.7×104,1.6×104,7.2×103和3.4×103条件下的不同攻角的流动情况,研究雷诺数对叶栅总压损失系数和攻角特性的影响。对叶栅性能和流场特性进行了分析,结果表明随着雷诺数的降低,叶栅流动的总压损失系数不断上升,低损失攻角范围逐步减小。      

采用DMD方法研究叶栅不同攻角的拟序结构

为分析平面叶栅分离流非定常拟序流动特征,对三个不同攻角下的叶栅进行了单通道的大涡模拟仿真,并采用动力模态分解（DMD）三个工况的流场结构进行了分析。DMD方法对包含复杂时空信息的叶栅分离流流场进行了解耦,剥离出了反映流场主要动力信息的模态,获得了其频率和与之对应的空间结构。并且通过DMD方法,将原本需要研究大量不同时刻的流场,转移到仅需要对少量模态的研究即可,实现了保留主要动力特征的低维近似。通过DMD分析表明:气流经过叶片前缘产生流动分离,形成不稳定的剪切涡结构,它和尾迹区脱落涡相互耦合,并形成新的拟序结构。随着攻角的增大,前缘剪切涡及其与尾迹涡的耦合也同时增强,流场变得更加复杂。      

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。      

锯齿尾缘叶片气动特性和绕流流场的数值研究

以基于NACA 0018翼型的锯齿尾缘仿生叶片为研究对象，采用大涡模拟的方法研究锯齿相对齿宽与相对齿高对锯齿尾缘叶片的气动特性和非定常绕流流场的影响规律和机制.研究表明，尾缘锯齿参数对叶片气动性能的影响是复杂的非线性过程，在一定来流攻角范围内能提高升阻比，但失速提前.如在9.4°~14.8°来流攻角范围内，不同相对齿宽系列叶片的升阻比高于原始叶片，升阻比与锯齿相对齿宽之间没有线性关系.研究还表明，锯齿尾缘能延迟边界层分离，加速尾迹的流动掺混和能量扩散，改变非定常涡结构和涡脱落频率.相对齿高的变化对非定常流动特性的影响更为显著.尾缘锯齿诱导的二次湍流射流和吸力面侧反向涡对改变了原始叶片的绕翼环量，进而影响锯齿尾缘叶片的气动特性和绕流流场特性.      

跨声速压气机转子旋转失速现象的非定常模拟

为研究跨声速压气机转子失速机理,全周非定常数值模拟了某跨声速压气机单转子的失稳过程。结果表明:该转子由叶尖Spike扰动诱发旋转失速。在小流量稳定工作状态,压气机转子叶尖区域存在"旋转不稳定"(Rotating Instability,RI)流动现象。压气机节流过程中,转子进出口的流量降低,叶尖区流场非定常波动幅值增大。近失速状态时,RI扰动团的典型流场结构"径向涡"在叶尖区域形成堵塞,导致相邻叶片前缘间歇性地出现溢流现象。随着压气机进一步节流,转子叶尖的负荷达到极值,叶片通道尾缘逆压力梯度过大,出现倒流。尾缘倒流的出现又进一步增加通道内的堵塞,最终形成Spike扰动。失速先兆对应的流场结构是沿叶片前缘额线向相邻叶片压力面周向运动的"径向涡"结构。     

开槽处理技术对叶片尾缘气流流动特性的影响

提出了从叶片压力面向吸力面开槽的处理技术, 设计了在80%～94%h叶高位置的叶片尾缘处的开槽方案, 对叶片开槽处理后的压气机工作流场进行了数值分析.结果表明:小槽进口对叶片压力面附面层低速气流具有一定的抽吸作用, 使部分压力面附面层气流和部分主流被吸入小槽并进行加速, 这股气流将从小槽出口流出, 它能够对叶背尾缘附面层内低速气流进行加速, 从而控制或延缓附面层气流分离, 并进一步减弱了尾缘附面层分离气流与叶片尾流的掺混.深入分析流场发现, 小槽出口气流还可以控制吸力面附面层气流沿叶根向叶尖的潜移, 从而防止大量附面层气流在叶尖堆积.因此采用开槽处理技术能够有效改善叶片尾缘流场的流动特性, 提高流场的稳定性.      

低雷诺数下压气机的二次流旋涡结构

为了探究高空低雷诺数条件下跨声速压气机的流动规律,对NASA Rotor37进行单通道数值模拟,探索其在低雷诺数进气条件下二次流的旋涡结构.研究发现:马蹄涡压力面分支诱发压力面角区诱导涡,壁角涡形成了顺流和逆流的两段式结构,脱落涡由叶根角区发展起来后不断从尾缘脱落,泄漏涡近失速点仅局部破裂不是失稳触发的主要原因.通道中的激波系诱发了吸力面和压力面的两个径向涡,压力面径向涡构成闭合的气泡式分离,吸力面径向涡在叶顶的破碎诱导产生分离涡,触发了低雷诺数下压气机的失稳.流场旋涡结构由马蹄涡、壁角涡、径向涡、泄漏涡、分离涡、脱落涡6个大尺度旋涡以及其他小尺度旋涡组成.      

低雷诺数下跨声速压气机转子失速工况时流动失稳触发过程研究

采用非定常数值方法模拟了低雷诺数条件下NASA Rotor 37跨声速压气机转子内部流动失稳机制.结果表明,随着压气机失速工况的推进,附面层径向涡不断扩大和增强,由附面层径向涡引发的叶顶附面层分离阻塞区不断向叶片前缘移动,直至与叶顶压力面前缘附近由激波和间隙泄漏流诱发的阻塞区相结合,使叶顶通道来流完全被阻塞,最终触发压气机流动失稳.      

射流式旋涡发生器对弯曲扩压叶栅流场的影响

数值模拟了射流式旋涡发生器对于大折转角弯曲扩压叶栅端壁流场性能的影响.结果表明:该研究的几种具有不同参数的射流式旋涡发生器都能使弯曲叶片损失降低,正弯和反弯叶片损失减小程度最大分别达2.5%和8.8%.射流除了可为端壁附近边界层中的低能流体提供动量之外,还可以在流道中产生与通道涡旋向相反、强度相当的流向旋涡挤压通道涡,使其向远离吸力面的方向偏转,该流向旋涡在距离叶片前缘0.6倍轴线弦长附近消失.对正弯叶片,吸力面上的流动分离现象基本消失,对于反弯叶片,极大程度上降低了吸力面集中脱落涡的强度.此外,射流作用使得弯曲叶片的负荷和折转能力均增加.      

尾缘锯齿降低叶栅噪声的数值模拟

采用大涡模拟与声类比的方法研究了尾缘锯齿对涡轮叶栅噪声的影响.设计了两种不同的尾缘锯齿,对比了Re=3.3×105(基于叶片弦长与叶栅出口速度)下两种不同结构锯齿尾缘叶栅与直尾缘叶栅的声功率.结果表明:尾缘锯齿可以降低叶片吸力面边界层分离噪声约5dB,降低尾缘涡脱落噪声约10dB.进一步的研究表明,尾缘锯齿可以降低叶片尾缘附近表面的压力脉动幅值约50%,将展向相关尺度较大的涡破碎成展向相关尺度较小的涡,并消除尾缘脱落涡,这三者的综合作用使噪声得到降低.      

仿生学翼型尾缘锯齿降噪机理

采用大涡模拟与声类比的方法研究了尾缘锯齿对翼型自噪声的影响。以SD2030翼型为研究对象,设计的尾缘锯齿幅值为10%弦长,周期为4%弦长。模拟了来流速度为31 m/s、0° 攻角下直尾缘翼型与锯齿尾缘翼型的流场,对应的基于弦长的雷诺数约为310 000。详细分析了尾缘锯齿对翼型尾缘湍流流场的影响,并通过FW-H方程计算大涡模拟提取的声源项,得到直尾缘翼型与锯齿尾缘翼型的声场。研究发现,锯齿尾缘可以明显降低翼型中低频范围内的噪声,在4 000 Hz以下,窄带噪声最多可降低约16 dB。但尾缘锯齿对翼型气动性能有着不利影响。进一步研究表明,该状态下翼型噪声主要由层流边界层引起的涡脱落噪声主导,尾缘锯齿可以抑制层流边界层引起的涡脱落现象,降低翼型升力脉动与尾缘附近的表面压力脉动,减弱尾缘处的低频湍流脉动与涡量,并有效降低尾缘附近涡的展向相关性,这些因素的综合作用使得翼型自噪声降低。