叶片式旋流畸变发生器数值模拟研究

为研究旋流畸变对压气机性能和稳定性的影响,设计了一套叶片式旋流畸变发生器,使用不同弯角的叶片以改变旋流畸变的结构和强度。采用CFD数值模拟方法对旋流畸变发生器的特性和详细流场进行了研究,结果表明,叶片式旋流畸变发生器具有对涡和整体涡均可形成、总压恢复系数高、旋流强度调节方便的优点,旋流切向气流角最大可达25.1°;随着流量减小,对涡和整体涡的总压恢复系数增加,旋流强度先保持不变,在降至一定的流量值后急剧上升。在压气机进口截面,对涡强度近端壁区域最大,叶中区域最小。整体涡偏心时,压气机进口的旋流方向并不完全一致,在叶根局部区域会形成反向旋流。     

旋流畸变对压气机失速发展过程影响的试验研究

为研究进气旋流畸变对轴流压气机失速发展过程的影响,设计了一种叶片式旋流畸变发生器。通过改变叶片式旋流畸变发生器的叶片安装方式来改变进口气流流向,产生对涡或整体涡,研究均匀进气、对涡和整体涡进气条件下低速轴流压气机失速发展的特点。试验结果表明:旋流畸变发生器达到了预期的设计要求,在压气机进口前产生了对涡和整体涡。压气机转子对进口旋流畸变有很大的影响,对正向旋流有一定加强作用,使正向旋流强度增大;对反向旋流有一定抑制作用。旋流畸变减小了压气机的稳定裕度,切向气流角越大效果越明显,使其更快进入失速,其中以对涡进气和正向涡进气条件下最为明显。旋流畸变进气条件下压气机中失速团的产生机理不发生改变,失速团传播频率不发生改变。     

一种可变弯度叶片式旋流畸变发生器设计技术

为了研究进气旋流畸变对压气机性能和稳定性的影响,设计了一种能够产生典型对涡与整体涡可变弯度叶片式旋流畸变发生器。结合正交仿真试验设计方法,分别以对涡旋流强度为优化目标和以对涡旋流强度、整体涡旋流强度和整体涡总压恢复系数为综合优化目标对旋流畸变发生器的几何参数,包括叶片稠度、叶片数量以及轮毂比等进行气动优化设计,并采用CFD数值模拟仿真研究了旋流畸变发生器生成旋流特征。经过单指标优化分析,旋流畸变发生器生成对涡旋流强度最高可达24.60°,整体涡旋流强度最高可达38.73°。经过多指标综合优化,旋流畸变发生器生成对涡和整体涡的总压恢复系数分别提高了4.26%和3.57%。叶片式旋流畸变发生器设计具有结构简单、操作方便、试验周期短等优点,并具有较好的工程应用性。     

整体涡旋流对跨声速压气机Stage 67影响的定常数值仿真研究

为研究不同旋流强度的整体涡旋流畸变对跨声速压气机的影响,本文采用定常数值仿真的方法,基于一种整体涡旋流畸变发生器与Stage67跨声速压气机展开联合仿真研究。通过改变旋流畸变发生器叶片角度,可以模拟不同强度的整体涡旋流畸变流场,在不同旋流进气工况下得到了压气机的压比、效率特性曲线,并针对流场细节进行分析,研究其失速机理。结果表明：同向整体涡有效降低近失速点叶顶通道堵塞程度,使叶片流动损失减小,压气机稳定裕度扩大;反向整体涡加剧叶背气流流动分离程度,引起吸力面尾部低速区面积扩大,导致叶顶堵塞程度的显著加剧,通道流动损失增加明显,造成压气机稳定裕度下降。     

旋流畸变影响低速轴流压气机数值模拟研究

为研究进气旋流畸变对轴流压气机性能和稳定性影响的机理,设计了一种叶片式旋流畸变发生器,分别采用定常和非定常计算方法对旋流畸变发生器和两级低速轴流压气机进行了联合数值模拟研究。定常计算结果表明:旋流畸变发生器的叶片弯角越大、对涡强度越高;对涡旋流导致压气机总压比和效率降低,稳定边界流量明显增加;对涡强度越大,对压气机性能和稳定性影响越严重;对涡的反向涡对压气机影响较大,同向涡影响较小;反向涡造成部分叶片的叶根区域吸力面附面层提前分离,是导致压气机失稳的主因;非定常解的总压比和效率均略高于定常解,两种计算方法得到的稳定边界差异明显,非定常解的稳定边界流量比定常解小19.2%,非定常计算结果更接近试验值。     

对涡旋流影响压气机转子性能和稳定性的研究

为研究对涡旋流影响跨声速轴流压气机性能和稳定性的机理,设计了一种叶片式旋流发生器,并对旋流发生器和跨声速单转子进行了联合数值模拟研究。计算结果表明旋流发生器叶片数越少,对涡强度越低;对涡旋流导致压气机总压比、峰值效率、稳定工作范围和堵塞边界流量减小,失速边界流量增大,对涡强度等于60°时峰值效率和堵塞边界流量分别降低1.11%和2.12%,失速边界流量增加4.17%;对涡中的同向涡导致叶尖进口攻角增加,进口相对马赫数减小;反向涡使叶尖进口攻角降低,进口相对马赫数增大;对涡前缘的轴向速度偏低,造成叶尖进口攻角大幅增加,叶尖泄漏流堵塞严重;由于叶尖泄漏流在叶片前缘溢流导致失稳。     

整体涡旋流畸变对压气机性能影响的研究

为了研究现代高性能战斗机更为曲折复杂的进气道所产生的旋流畸变对于压气机性能的影响,引入更为全面统一的旋流畸变评价指标,对旋流畸变进行量化和分类,并采用CFD技术对整体涡旋流畸变下轴流压气机的流场进行了数值计算,得到了相应的特性图。结果表明,正向整体涡旋流使压气机相应工作点的流量和压比减小,稳定裕度增大;反向整体涡旋流使相应工作点的流量和压比增大,稳定裕度减小,且旋流强度越大,变化程度越大。以旋流强度等于30°为例,遭遇正向整体涡时流量和压比的最大降幅分别为24.38%和0.28%,遭遇负向整体涡时流量和压比的最大增幅分别为15.90%和0.26%,在相同畸变强度下,正向整体涡对于压气机性能的影响程度更大。     

整体涡对跨声速单转子性能和稳定性影响

为研究整体涡影响轴流压气机性能和稳定性的机理,设计了一种叶片式旋流发生器,并对旋流发生器和跨声速单转子进行了联合数值模拟研究.计算结果表明:反向整体涡导致堵塞点流量、进口攻角和总压比增加,效率和稳定工作范围降低;同向整体涡导致堵塞点流量、进口攻角、总压比和稳定工作范围减小,效率增加;反向整体涡导致50%叶高以上吸力面附面层分离以及叶尖泄漏流堵塞加剧是压气机失稳的主要原因.      

应用改进的平行压气机模型预测旋流畸变对压气机性能的影响

为预测旋流畸变对压气机性能的影响,采用改进的平行压气机模型探究了常见的整体涡和对称涡旋流畸变下压气机性能参数的变化。改进的平行压气机模型利用平均线模型获得输入进口条件下压气机各级的特性,将得到的级压比和温比等参数传递给平行压气机模型进行求解,进而得到完整的压气机特性。结果表明:同向整体涡作用下,压气机工作点压比降低,稳定裕度增大;反向整体涡使得压气机压比增加,稳定裕度减小;对称涡使得压气机压比降低,稳定裕度减小。以10°旋流为例,同向整体涡下压比的最大降幅达到15.2%,反向整体涡下压比的最大增幅为13.3%,对称涡下压比的最大降幅仅为4.6%。     

旋流畸变对跨声速转子性能影响的数值研究

为了探究整体涡和对涡旋流对跨声速转子性能的影响,利用腔室型旋流畸变发生器产生旋流,并与跨声速转子进行联合仿真研究。90%换算转速B3布局时,同向整体涡导致转子压比最大降幅为15.1%,效率最大增幅为10%;反向整体涡导致转子压比最大增幅为6.75%,效率最大降幅为17.2%;对涡P3布局时转子压比和效率的最大降幅分别为4.3%和9.3%。结果表明同向整体涡减小了叶片负荷与叶片表面及通道内的二次流分离,使转子的压比降低,效率升高;反向整体涡增大了叶片负荷,使流动分离损失增加,转子的压比升高,效率降低;对涡旋流可认为是同向整体涡和反向整体涡的叠加,对转子性能的影响取决于占主导的旋流类型,影响机制与整体涡相同。