环形叶栅内利用非定常激励减少分离区损失的研究

阐述了在环形扩压叶栅内利用非定常激励减少分离区损失的实验研究成果。在测得各个工况下环形叶栅的分离旋涡频谱特性的基础上，采用施加声激励的实验手段，系统研究了扩压环形叶栅内流动与非定常扰动之间相互作用的机理，证实了一定条件下的非定常扰动能促使叶栅分离区的减小，从而降低总压损失，达到提高气动性能的目的。分别从激励频率和强度的角度出发，探索了影响激励效果的途径。     

对圆柱和二维扩压叶栅在平面叶栅风洞中旋涡脱落的试验研究

随着叶轮机设计技术的发展，对流动非定常的了解显得越来越急迫。而在叶轮机的流动中，尾流是导致流动非定常的一个重要因素，因此对尾流流动特性的研究就显得很有必要。本文在不同的平面叶栅风洞中对圆柱及二维扩压叶栅进行了吹风实验，利用传声器、热线热膜以及动态压力传感器等动态测试仪器，对圆柱和二维扩压叶栅后旋涡脱落情况进行了试验研究。实验结果显示，在平面叶栅风洞内的圆柱体尾流中有类似在外流中的卡门涡街脱落现象．但所对应的斯特劳哈数比外流稍小。更重要的是，还首次得到了二维扩压叶栅后明显的旋涡脱落特征频率，证实了在二维扩压叶栅非定常流动中也伴随着有规律的旋涡脱落。这些结果将为利用外流的成果和更全面地考虑叶轮机的气动设计提供很重要的参考作用。     

环形扩压叶栅流动非定常控制方法的PIV研究

利用合成射流发生器对于一台环形扩压叶栅进行了流动主动控制的探索,发现适当的非定常激励方式可以使得环形叶栅的总压损失明显减小。同时利用二维粒子图像测速仪(ParticleImageVelocimetry,简称PIV)测量了扩压叶片绕流流场。获得了不同攻角下,在不同的激励频率和激励强度下,流场结构的变化。结果表明非定常激励可以使叶片绕流流场结构发生明显变化。在合适的非定常激励下,扩压叶片的叶背分离流动得到明显抑制,尾迹漩涡的强度和尾迹宽度均明显减小,流线分布比无非定常激励时更加平滑。实验结果能够与环形叶栅时均总压损失的变化相吻合。对于这一非定常控制方法的作用机理也进行了初步的分析。      

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。      

在静止扩压环形叶栅中捕获轴流压气机非定常耦合流型的实验研究

本文研究了在静止扩压环形叶栅中如何实现非定常自然流型(UNFT)向非定常耦合流型(UCFT)的转变，以及耦合流型对轴流压气机能带来多大的时均性能提高。在环形叶栅台上的大量实验研究表明：当以一定方式实现非定常耦合流型后，其分离旋涡缩小，流场中涡量减小，流动损失下降，时均性能有较大幅度提高。实验中将常规的气动感头测量和小惯性热线风速仪测量以及数字式PIV瞬态场测量技术相结合，来获得非定常两代流型的流动图案和时均性能及其相互比较。     

对环形叶栅内非定常流动特征参数的实验研究

通过环形叶栅实验,测出叶排后流场速度分布,捕捉叶排后流动分离的特征频率,观测气流攻角和流量的影响,分析出环形叶栅后的旋涡脱落频率及与其他气动参数之间的相互关系。在大的负攻角下,分离区范围广阔,旋涡强度也较大,分离区衰减慢,但它是收敛型的分离旋涡;在大的正攻角下也存在类似的现象,但其旋涡强度更大,是扩散型的,这意味着大的正攻角造成的分离更为危险,而叶轮机械中的不稳定流动现象(旋转失速、喘振等)又往往是由此引起;而当攻角接近设计攻角时,分离明显减小,且很快被主流区掺混而逐渐消失。在环形叶栅试验中,发现在不同测量状态下(不同攻角和流量)都存在值为723Hz左右的特征频率,然而幅值(气流分离强度)却有相应变化。     

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。     

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。      

不同攻角下端壁射流旋涡控制扩压叶栅分离流动研究

为了研究端壁射流旋涡对扩压叶栅分离流动及性能的影响,采用数值模拟的方法,对不同攻角下带有端壁射流的50°折转角扩压叶栅进行了研究。结果表明:具有最优射流结构的旋涡发生器有效减弱了叶栅角区分离,零攻角下出口总压损失降低了8.9%;随着攻角的上升,射流对扩压叶栅气动性能的改善越显著;射流产生的旋涡可阻挡端壁低能流体向吸力面的迁移,并将主流流体卷入角区,角区流体动量增加、流动分离减弱,但旋涡与端壁二次流的掺混使得10%叶高以下的损失略微增大;射流参数决定了射流旋涡与吸力面的相对位置以及旋涡强度,对射流控制栅内流动分离效果有重大影响,需合理选择。     

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。     

高负荷压气机叶栅内三维旋涡结构及其形成机理的研究进展

压气机内的三维流场中存在着复杂的旋涡运动及气流分离,这些复杂的流体运动影响着压气机的高效及稳定运行,有必要了解并掌握压气机内旋涡结构的产生与发展机理。本文首先回顾了叶轮机械内经典的旋涡模型,重点综述了压气机叶栅旋涡模型的研究成果。然后,详细介绍了在矩形扩压叶栅和跨声速压气机静叶的旋涡结构方面取得的阶段性研究成果,分别讨论了三维旋涡结构的三种研究方法,验证了数值计算获取叶栅旋涡结构的可靠性,阐述了高负荷矩形扩压叶栅旋涡结构与流动损失的关联性,建立了跨声速压气机静叶三维定常旋涡结构模型,揭示了压气机静叶失速过程的涡动力学机理,并分析了非定常因素对静叶旋涡结构的影响规律。最后,针对今后在压气机旋涡结构的发展中会遇到的技术挑战和未来的发展方向做了几点展望。     

孔式非定常脉动抽吸控制高负荷压气机叶栅内流动分离的参数研究

为了探索非定常脉冲抽吸在高负荷压气机叶栅中控制流动分离的应用前景,掌握非定常脉动抽吸在不同激励参数条件下的适应性和可行性,首先对非定常脉动抽吸的不同激励参数包括激励频率、位置、前向倾角和侧向倾角进行了详细的讨论和分析。然后,基于最优激励参数,将非定常脉动抽吸与传统的定常抽吸进行了比较分析。结果表明:在流动分离的控制中,激励参数起着重要的作用,当激励参数在相应的最优范围内气动性能才能被明显地提升,如果远离相应的最优范围,控制分离的效果将会减弱,甚至导致总压损失增加。当所有激励参数都是其最优值时,在时均抽吸率只有0.4%的情况下,总压损失减小了19%。基于最优激励参数,在相同时均抽吸量的情况下,相比于定常抽吸,非定常脉动抽吸在控制流动分离、改善气动性能上具有更大的优势。     

端壁等离子体气动激励抑制高负荷压气机叶栅角区流动分离实验

为揭示端壁等离子体气动激励抑制高负荷压气机叶栅角区流动分离的影响规律和流场特征,在不同流场参数和激励条件下分别开展了微秒脉冲和纳秒脉冲等离子体气动激励抑制叶栅流动分离的实验研究.结果表明:端壁等离子体气动激励可以有效抑制叶栅角区的流动分离,其作用效果在攻角为3°时最佳,随攻角的增大逐渐下降;微秒脉冲激励的流动控制效果随来流速度的增大而降低,随激励电压和占空比的增大而提高,最佳非定常脉冲频率为500Hz;在较高来流速度下,微秒脉冲激励的作用效果十分微弱,但纳秒脉冲激励能够有效抑制角区流动分离;纳秒脉冲激励的流动控制效果随激励电压增大而提高,激励频率对控制效果至关重要,作用效果随激励频率的增大而不断增强,但当激励频率为5kHz时,作用效果有所下降.      

角区分离对声激励响应的初步研究

对一小展弦比扩压器内的分离流的声激励控制进行了实验研究, 并对此类声控的机理进行了初步探索。实验结果表明用外部声激励的方法可以控制小展弦比扩压器内的复杂分离流动;声控分离的效果依赖于激励强度和频率, 而对激励位置并不敏感。介于未分离区和分离区间之间的分离过渡区中的湍流脉动模式决定了所观察到的非定常湍流分离的基本结构。在激励声波的作用下, 角区旋涡被其调制加强, 使过渡区的湍流脉动模式发生了很大的变化, 加强了向分离区的能量输运, 推迟角区旋涡在扩压器内逆压递度作用下卷起, 因而削弱了大尺度的分离流动。      

扩压式叶栅非定常分离流机理研究的频谱分析

二维亚音压气机叶栅非定常分离流中旋涡脱落频率的定性研究,采用数值模拟的方法,通过九种不同工况下流场中多点总压值的快速傅立叶分析,初步提出了区分数值振荡和真实物理振荡的判据,同时得到了这九种工况下非定常分离流中旋涡脱落频率的数值模拟结果。证实在非设计工况下,二维亚音压气机叶栅叶背区出现了较大尺度的开式非定常分离,分离区自身及分离流影响的尾迹区的主要运动形式可能是周期性的旋涡脱落。      

端壁非定常脉冲射流对高速扩压叶栅性能的影响

为探究非定常脉冲振荡射流对高速平面扩压叶栅气动性能、分离流动控制以及流场结构的影响,基于CFX数值模拟方法对平面扩压叶栅进行端壁非定常脉冲射流研究,分析射流效果随射流位置、角度和强度的变化规律。结果表明,通过角区脉冲射流可以显著提高叶栅气动性能,仅采用不足叶栅主流0.3%的射流流量,就能使叶栅出口总压损失系数降低28.66%。当射流位于吸力面侧分离起始位置稍下游时控制效果最佳;射流角度、射流强度和射流频率的最佳值分别为α=20°,C_u=110%和F⁺=0.80;脉冲射流具有较好的适应性,在来流冲角i=-8°～+4°内均能降低叶栅损失。脉冲射流主要通过抑制和推迟通道涡和集中脱落涡的发展,减小其影响范围来改善叶栅内的涡系结构。     

扩压叶栅中的旋涡流动

本文以旋涡作为研究线索, 对扩压叶栅内旋涡流动作了较为全面的试验研究, 提出了一个常规扩压叶栅内部近壁流动的物理模式, 包括角涡与叶面附面层干涉的壁面拓扑流型, 扩压叶栅流动中的旋涡结构, 以及这个旋涡结构在不同攻角下与叶栅损失结构和负载结构的关系, 从而解释了扩压叶栅角隅区高损区存在的原因。      

处理轮毂转速的实验研究

在低速环形叶栅实验台上圆弧斜槽处理轮毂相对静子扩压叶栅环的旋转频率对叶栅端壁区流动进行了影响实验探索。结果表明：轮毂处理能够消除叶栅端壁区的低速团,减小流动堵塞,叶栅流通能力最大提高了26．2％。轮毂处理消除端壁分离的能力与处理轮毂的旋转方向和相对转速密切相关。随着处理轮毂转速的增加,叶栅流通能力增加,并且存在局部非线性较强的转速范围。因此,轮毂处理的设计还应该考虑叶排与处理槽相对运动带来的流动非定常性。     

压气机二维叶栅涡脱落的数值模拟

对某压气机二维叶栅的非定常分离流场进行了数值模拟,通过对多种工况的计算,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。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;在大攻角下有类卡门涡的脱落;旋涡脱落的频率,随着攻角和马赫数的变化而变化;分离点的位置随着攻角和马赫数的变化而变化。     

端壁附面层抽吸对大转角扩压叶栅旋涡影响的实验研究

为探明附面层抽吸技术对压气机叶栅气动性能的影响及其与栅内旋涡结构的关联,通过十个横截面的实验测量结果研究了高负荷压气机叶栅抽吸端壁附面层前后的主要旋涡结构以其对应损失的演变过程。研究对象为矩形低速扩压叶栅,来流马赫数约为0.23。研究结果表明,端壁附面层的变化对叶栅端区的主要旋涡发展过程影响显著。在原型方案中,壁面涡、尾缘脱落涡的演变过程对应着较高的流动损失,通道涡自身产生的损失较小,主要起到向远离端壁的方向输运低能流体的作用;在流向槽吸气方案中,壁面涡和尾缘脱落涡因端壁附面层径向迁移及角区分离受到抑制而被明显削弱;而来流附面层抽吸方案则最为有效地控制了通道涡的演变过程。 