尾迹/势流干扰对跨声速风扇静叶附面层流动影响的数值研究

为揭示尾迹/势流干扰下压气机静叶附面层的非定常流动机理,采用数值方法对单级高负荷跨声速风扇中径处的非定常流场进行模拟,针对尾迹/势流干扰下的静叶附面层非定常流动特征进行研究。基于尾迹/势流与叶片附面层干扰模型,通过叶片壁面摩擦力、近壁面附面层湍动能和壁面静压脉动,详细分析了尾迹和势流干扰下尾迹对高负荷静叶附面层流动状态的影响。研究发现:在非定常条件下,尾迹干扰能够"刺穿"静叶附面层,使得静叶附面层发生跨越转捩现象。尾迹和受其诱导的势流碰撞静叶前缘产生的压力扰动波在压力面附面层内以声速传播,影响压力面整个弦长的静压和摩擦力分布,而在吸力面上,扰动波的传播仅局限在前缘区域部分弦长上,吸力面和压力面传播现象不同与逆压梯度和曲面凸、凹形状相关。     

低速压气机静叶非定常Clocking效应数值模拟

采用三维粘性非定常数值模拟方法研究了重复级低速压气机内部非定常流动,其中包括静叶Clocking(时序)效应以及尾迹-边界层、尾迹-尾迹和尾迹-泄漏流的相互作用.对静叶时序效应的结果分析显示,当两级静叶相对周向位置改变时最大效率变化只有0.1%,表明低速压气机中静叶时序效应不明显.另外,非定常结果流动图画显示,在非定常环境下上游周期性尾迹的通过对下游叶片边界层、尾迹以及叶尖泄漏流的发展都有一定影响.     

静叶片时序效应对压气机叶片非定常气动负荷的影响

采用数值方法对两级低速压气机中径处的流场进行非定常模拟。研究第二排静叶在两个典型周向位置上的叶片气动负荷,分析各列叶栅气动负荷的非定常波动以及静叶时序效应对叶栅气动负荷的影响。对各列叶栅的非定常气动力和气动力矩进行频谱分析,探讨叶列间的非定常气动干扰。结果表明,时序效应对静叶片气动负荷的影响明显高于动叶片的。时序效应能够提高压气机的性能与叶片寿命.      

不同轴向间距下涡轮级内非定常流场的数值研究

针对不同轴向间距下涡轮级内非定常流动进行了数值研究.讨论了非定常条件下轴向间距变化对非定常性及流场分布的影响,探讨了转子和静子叶片之间的非定常相干的机理.结果表明,轴向间距L对转子内流动的非定常性有着强烈的影响.随着轴向间距的减小,静叶尾迹的强度及影响范围增加,静叶尾迹对动叶的周期性非定常影响还是主要出现在前缘附近.由于静叶尾迹的恢复效应与来流尾迹强度成正比,50%轴向间距下动叶出口流场的湍动能在动叶通道中央区域最小.      

超声压气机静/转干涉的非定常模拟研究

为进一步揭示超声速流动条件下压气机叶排干扰机理,提高对跨/超声速压气机流动的认识,基于课题组自主研发RANS方程解算器,运用非定常数值模拟的方法对超声速压气机静/转叶栅级间干涉进行研究。研究结果表明,超声速压气机静/转叶栅通道中存在较为复杂的相互干涉,下游转子叶栅外伸激波被上游静子叶栅切割,并强烈扰动静子叶栅通道中的流动,造成静子叶片表面压力波动较大;静子叶栅尾迹区存在较强的熵增,在向下游传播的过程中被转子叶栅切割,在转子叶栅通道中,尾迹区域变形并向压力面靠拢,最终与转子叶栅尾迹相互作用,使得转子叶栅尾迹呈类卡门涡街形式脱落。     

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.      

转静干涉对跨声速吸附式压气机流场的影响分析

跨声速低反动度吸附式压气机的静叶流道中不但有附面层抽吸,还会存在由于低反动度设计而产生的激波,因而流动现象异于常规压气机,非定常效应明显,故采用非定常数值模拟方法,对跨声速低反动度吸附式压气机的内流场展开研究。通过选取两个最具代表性的时刻,探究了转静子干涉对该压气机气动性能以及内流场的影响。结果表明:非定常不同时刻的效率峰谷值之差达0.937%,流动的非定常性很强。转子尾迹对静子流道中展向抽吸缝前的区域干涉作用明显。在静叶流道中,分离主要存在于三个位置:30%弦长位置、尾缘顶部以及尾缘根部,其中静叶吸力面侧30%弦长位置的分离原因是激波与附面层干扰,且该处部分低能流体的吸除方式为"螺旋路径吸除",并详细分析了其对流场的积极和消极影响。此外还建立了激波尾迹干涉——激波与附面层干扰——非定常效率波动这三者之间的联系,找出了非定常效率波动的原因。     

组合压气机中导流叶片的尾迹抖动特性

为明确多排叶栅压气机中影响静叶尾迹抖动特性的因素及机理,探索调制静叶尾迹抖动周期和幅值的方法,采用数值方法对设计流量为1.12kg/s,转速为60000r/min的一级轴流和离心叶轮组成的组合压气机的非定常流场进行模拟.结果表明:静叶尾迹抖动除受几何因素影响外,还受上下游转子干涉影响,且上下游转子叶片通过频率的异同将影响静叶尾迹抖动的周期性.当上下游转子叶片同频通过时,改变动叶的时序位置可以调制静叶尾迹抖动幅值的大小.另外,静叶尾迹抖动幅值沿叶高方向并不相同,低叶高处静叶尾迹抖动幅值明显大于中、高叶高处静叶尾迹抖动幅值.      

小型轴流压气机静叶排出口尾迹流动特性

基于小型轴流压气机实验台,运用热线风速仪(HWA),对不同转速、流量工况下,静叶排出口尾迹流动特性进行实验研究。对同一工况下尾迹区时均速度及湍流度分布规律的研究表明：受前排动叶的影响,静叶排不同叶展截面处尾迹大小、尾迹中心位置存在着明显差异;沿展向叶根、叶尖附近湍流度明显高于主流区。同时,还对不同工况下静叶排尾迹区各统计参数的变化规律进行了研究,较为系统地总结出轴流压气机工况变化对静叶排出口尾迹大小、尾迹中心位置、尾迹区湍流强度以及雷诺应力大小的影响。     

二维扩压叶栅非定常涡面分析

轴流压气机内流动是典型的非定常旋涡流动,而现有压气机分析设计体系在定常假设下以流场空间结构为对象.研究压气机内真实流动的途径之一是分析流场时空结构.把转/静叶片交错排列简化为单叶片排,再简化成2-D扩压叶栅.从叶栅非定常涡面的角度来描述非定常旋涡流场时空结构.作为举例,利用合成射流控制涡面演化,改善流场时空结构.此涡面简化模型可为进一步研究叶轮机叶排间干扰复杂流场的时空结构提供分析工具.      

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.     

Unsteady Flow Variability Driven by Rotor-stator Interaction at Rotor Exit

Numerical investigation of the unsteady flow variability driven by rotorstator interaction in a transonic axial compressor is performed. Two models with close and far axial gap between rotor and stator rows are studied in the simulation. Particular attention is attached to the analysis of mechanisms involved in driving rotor wake oscillation, rotor wake skewing and flow angle fluctuation at rotor exit. The results show that smaller axial gap is favorable to enhance the interaction in the region between two adjacent rows, and the fluctuation of the static pressure difference between two sides of rotor wake is improved by potential field from down stator, which is the driving force for rotor wake oscillation. The interaction between rotor and stator is weakened by increasing axial distance, rotor wake shifts to suction side of rotor blade with 5%-10% of rotor pitch, the absolute value of flow angle at rotor exit is less than that in the case of close interspace for every time step, and the fluctuation amplitude is also decreased.     

轴流压气机转静二维非定常薄层N-S数值模拟

采用非定常薄层Navier-Stokes紊流运动方程来描述一跨声轴流压气机中径处的二维转-静非定常流场，速度脉动的相关分析表明转子尾迹对静子的热流流场几乎没有什么影响，而粘性的影响取决于叶片排之间的轴向距离。     

高负荷涡轮端区非定常流动相互作用研究

采用三维黏性非定常数值模拟方法研究了某型高压涡轮端区非定常流动相互作用,着重研究了上游静子尾迹与转子二次流的非定常作用机制,同时还分析了负荷分布、激波等对端区非定常流动的影响。结果表明,静子尾迹的非定常作用一定程度减小了转子轮毂二次流的径向涡量;尾迹对流向涡量的影响取决于尾迹沿叶高的分布,当吸力面一侧的尾迹具有与二次流方向相反的流向涡量时,二次流的流向涡量减小;非定常效应还使得转子叶片根部负荷略为减小,也一定程度上抑制了转子轮毂二次流的发展。此外,受静子尾缘激波的影响,转子叶片表面负荷分布发生明显的周期性变化,导致叶片表面承受较强的非定常力,在涡轮设计中必须考虑。另外,通过计算涡轮级中的熵增和熵产,定量地分析了端区非定常相互作用产生的损失,并得到了一些有意义的结论。     

时序效应对涡轮叶片非定常作用力影响的数值研究

为了研究时序效应对尾迹传递及其与下游叶片排的作用机理,利用基于密度修正的求解雷诺平均N-S方程的商用CFD软件对某一1.5级轴流低压涡轮级进行了详细数值模拟。通过调整第二级导叶的周向位置来产生时序效应,结合叶片中径处的静压系数分布来详细分析时序效应对涡轮叶片非定常力的影响。结果表明:时序效应对涡轮效率影响很小,涡轮最大和最小气动效率之间相差0.1%,当进口导叶尾迹撞击出口导叶前缘时涡轮效率最小;时序效应对动叶表面中径处压力分布影响不大,对出口导叶影响较大,压力分布改变的主要原因包括尾迹的对流传递及其撞击引起叶片环量改变;时序效应对涡轮出口导叶气动力分布影响较大,相对最大效率,最小效率下的气动负荷系数和方位角要大。     

上游叶片尾迹对转子叶片非定常表面压力频谱特性影响的研究

为了研究上游叶片尾迹对轴流压气机转子叶片非定常表面压力的影响,采用在叶片表面埋设微型压力传感器的方法,测量了一个单级低速轴流压气机转子叶片的非定常压力分布。对转子叶片非定常压力分布的分析显示:转子叶片压力面非定常表面压力主要受上游叶片尾迹影响,其主导频率为上游叶片尾迹频率及其倍频,压力波动幅度随上游叶片尾迹的衰减而沿流向减弱。转子叶片吸力面非定常压力受叶片附面层和上游叶片尾迹共同影响,其主导频率为上游叶片尾迹频率及其倍频,但是在吸力面前部气流加速区压力波动幅度沿流向增大,而在吸力面后部气流减速区压力波动幅度沿流向减小。在存在尾缘分离的情况下,在分离区附近产生较大压力波动。尾缘气流分离产生的压力波动频谱中含有上游叶片尾迹频率及其倍频的分量,但其频谱可能比较复杂,并非单一地受上游叶片尾迹影响。      

轴流涡轮基元级动叶稠度特性的数值研究

利用商用软件数值模拟了5个不同动叶稠度的轴流涡轮基元级的非定常流动情况,以研究动叶稠度对轴流涡轮基元级性能和流动情况的影响.通过对动叶稠度对基元级反力度、叶片进出口气流角、转子和静子中的流场及损失影响情况的考察研究,发现动叶稠度的改变对涡轮基元性能和流动情况的影响与静叶稠度存在重要关系.静叶稠度不变时,动叶稠度的改变通过影响流过涡轮基元级的流量来使基元级的反力度发生变化.当动叶稠度过大时,气流在转子中会过度膨胀加速而产生激波损失及其与附面层干涉形成的流动分离损失.动叶稠度过小时,转子进口会出现极大的正攻角致使动叶吸力面发生大范围的流动分离.静叶稠度一定时,存在一个最佳的动叶稠度,使涡轮基元级呈现最好的性能.      

转子叶片表面非定常气动力的构成及叠加分析

数值模拟了一个带有导叶的单级低速压气机中转子叶片表面的非定常气动力.通过研究转子叶片根部、尖部前缘和尾缘局部位置的非定常气动力,阐明了由尾迹和势扰动两种非定常性诱发的气动力在转子叶片表面的叠加特性.结果表明,上游尾迹的影响波及整个转子叶片弦长范围,而下游静子叶片势扰动仅影响转子叶片尾缘附近的脉动压力,改变上、下游叶片的时序位置,当整个转子叶片表面脉动压力的幅值比最大值减小19.4%时,其叶尖前缘脉动压力的幅值仅比最大值减小9.4%.      

动叶尾迹对静子非定常气动性能影响的研究

本文利用南京航空航天大学单级低速轴流压气机试验器,对动叶尾迹对静子非定常气动性能的影响开展了系统的实验研究。通过静叶表面动态压力分布的测量,获得了在不同的动—静叶排轴向间距、不同的工作转速和不同的工作流量下,动叶尾迹对静子非定常气动性能影响的大量基础实验数据