非设计状态下尾迹输运对高负荷低压涡轮附面层的影响

为了研究非设计状态下的上游尾迹在叶栅通道内的形态演化与发展,分析尾迹与叶片吸力面附面层的相互作用,基于高负荷低压涡轮(LPT)叶型Packb对非设计状态下尾迹输运进行了研究。研究主要通过数值模拟的方法进行,使用CFX软件,利用LES模型耦合Smagorinsky亚格子模型。讨论了非定常来流0°和+10°攻角工况下,尾迹与吸力面附面层相互作用的差异。分析发现,+10°攻角工况时,尾迹对附面层转捩的促进作用较0°攻角工况时更为显著;+10°攻角工况时,尾迹与附面层的相互作用时间更长,尾迹诱导转捩的起始位置更靠上游。     

尾迹对低压涡轮吸力面附面层流动的影响

为研究尾迹对低压涡轮叶片吸力面附面层流动特性与转捩过程的影响,利用商用CFX软件进行数值模拟,并辅以试验 校核。着眼于附面层瞬态分析,在1个尾迹扫掠周期内,对吸力面附面层内Klebanoff条纹、KH结构、涡等瞬态结构进行研究。结 果表明：在尾迹间歇期,尾迹诱导湍流区和抑制区仍在影响叶片尾缘附面层的发展,分离泡在抑制区上游重新生成;尾迹接触叶片 前缘后,产生尾迹放大Klebanoff条纹,其前缘以88%的主流速度向下游运动,随后尾迹接触附面层并与分离泡作用,触发剪切层 的KH不稳定性形成全展向KH卷起涡,而尾迹诱导转捩起到了抑制分离泡的作用;尾迹放大Klebanoff条纹将追赶并冲击全展向 KH卷起涡,使其崩溃为局部KH涡并最终破裂成全湍流。     

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.      

高负荷低压涡轮内部非定常流动机理及其控制策略研究进展

低压涡轮湍流问题是制约高性能航空发动机研制的难点之一。为了理清低压涡轮内部湍流流动机理,并掌握相应的控制策略,获得计及非定常流动特征的高负荷低压涡轮气动设计方法,基于课题组长期从事高负荷低压涡轮的研究基础之上,结合国内外低压涡轮大量研究工作,系统地介绍了尾迹扫掠下低压涡轮叶片吸力面附面层发展演化过程、端区二次流非定常特征变化以及相应的流动损失机制及其抑制方法。优化叶片载荷分布在一定程度上能够减小叶型损失和二次流损失;尾迹扫掠能够诱导吸力面附面层发生转捩从而减小叶型损失,同时也有助于抑制端区二次流的发展,但在不同雷诺数下,尾迹的作用效果可能不同;对于高/超高负荷低压涡轮,特别是在低雷诺数条件下,需要借助有效的流动控制手段来抑制分离。     

尾迹诱导下低压涡轮边界层转捩的数值模拟

为研究尾迹诱导下低压涡轮的边界层发展,采用基于三阶MUSCL-Roe格式、引入转捩准则后的一方程Spalart&Allmaras模型和隐式牛顿迭代时间推进的非定常雷诺平均计算方法,对上游运动圆柱产生的周期性尾迹作用下的T106低压涡轮叶片边界层转捩流动进行了数值模拟。定常来流下,准确捕捉到分离诱导转捩及雷诺数效应现象;尾迹作用下的非定常计算,则揭示了尾迹在叶栅通道内的输运过程,及尾迹对低压涡轮吸力面上层流分离的抑制作用。     

尾迹与涡轮叶栅边界层的相互作用

通过实验和数值模拟的手段研究了尾迹与边界层的相互作用,其中上游叶排尾迹的模拟是通过在涡轮叶栅前设置周期性运动的圆柱实现的.研究表明,上游尾迹对涡轮叶栅边界层的发展有显著影响,在其作用下,吸力面边界层提前转捩,分离得到明显的抑制,利用尾迹与边界层相互作用的非定常效应可以明显提高低压涡轮叶栅气动负荷.      

尾迹对涡轮叶栅边界层转捩的影响

为研究周期性尾迹对下游涡轮叶栅边界层转捩的影响机理,并验证γ-Reθ转捩模型在非定常计算中的适用性,在自行开发的CFD程序上实现了该模型,对带有尾迹发生器的T106D-EIZ涡轮叶栅进行数值模拟;对比分析了实验数据与数值模拟的结果,并对流动机理进行阐述。主要结论如下:γ-Reθ转捩模型对周期性尾迹影响下的边界层转捩预测得较为准确,转捩位置随时间的变化规律及幅值均与实验值符合得很好;尾迹的时均作用是使吸力面转捩位置向尾缘移动,相比于无尾迹情况其移动距离约为5%轴向弦长;尾迹使吸力面阻力系数时均值较无尾迹情况增加约40%,同时减弱了分离泡的强度,但对分离泡的位置影响不大。     

超高负荷低压涡轮非定常特性实验

针对某后加载超高负荷低压涡轮叶型的定常与非定常气动特性进行了实验研究.结果表明:由于上游尾迹的作用,在低来流雷诺数与来流湍流度下,尾迹诱导转捩叠加自然转捩可以抑制分离、降低叶型损失.在一个尾迹通过周期,由于尾迹诱导转捩的作用,附面层分离周期性地放大、缩小.同时在吸力面速度峰值点下游观测到了尾迹被割裂为两部分的现象,形成了一个主尾迹与一个副尾迹.副尾迹同样可以诱导转捩,但强度较低,对分离抑制效果有限.      

组合抽吸对高负荷压气机叶栅流动分离控制的研究

为了研究组合抽吸对高负荷压气机叶栅内部分离流动控制的效果和机理,以内部同时存在有吸力面附面层分离和角区分离的压气机叶栅为研究对象,利用实验和数值模拟对3种不同的抽吸方案进行了探索。结果表明:附面层抽吸可以显著地改善叶栅性能和攻角特性; 在-5°～8°攻角范围内,吸附式叶栅的叶型损失系数得到了显著的降低,且抽吸量为0.76%时对应的损失系数降幅达到约67%;吸力面局部叶展抽吸方案(SS1)可以有效地消除抽吸叶展附近的分离,结果却导致角区分离面积变大;组合抽吸方案(CS)基本全部消除了叶栅内吸力面上的附面层分离和角区分离,因此全叶展上的负荷和扩压能力得到了显著的提升;不同攻角下损失系数随抽吸流量组合的变化规律不同,大攻角下吸力面上的抽吸控制更能有效地降低叶栅内的损失;进行组合抽吸时,需要针对不同的攻角选择最佳的抽吸流量组合。     

低负荷和高负荷压气机叶栅气动性能的实验和数值模拟

为了明确采用高负荷设计及一般设计（低负荷）方法的压气机气动性能和流动转捩的差异,进行了不同攻角下的叶栅吸力面流谱绘制和参数测量实验。并基于实验边界条件,采用γ-θ转捩模型开展数值研究。结果表明:与低负荷叶栅相比,随着攻角的增大,高负荷叶栅主流附面层由附着流变为分离流,尾迹的宽度和损失强度增加,并与角区分离融合为一个“带状”损失区。而低负荷叶栅的角区分离仍为紧贴壁面的开式分离,主流附面层仍然附着在壁面上。结果表明:高负荷设计增强了叶栅内逆压力梯度,这使得流动更容易分离,表现为表面形状因子呈现大范围的“峰谷”型分布,转捩模式也由局部旁路转捩变为全叶高范围的分离泡转捩。      

静叶时序对压气机叶片附面层流动影响的数值研究

采用数值方法对两级低速压气机中径处的非定常流场进行模拟,针对压气机第2排静叶两个典型周向位置对动静叶干扰下的叶片附面层流动进行研究.建立尾迹与附面层干扰分析模型,结合叶片壁面摩擦力和近壁面附面层湍动能,详细分析了尾迹和势流干扰下静叶时序改变对叶片附面层流动产生的影响.对第2排静叶附面层的研究结果表明:静叶时序改变了尾迹在其叶排中的输运特征,能够降低壁面摩擦力和近壁面湍动能及其非定常最大波动幅值,影响吸力面附面层内动叶尾迹后沉寂区的宽度.在非定常条件下,尾迹能够诱导静叶层流附面层在尾迹干扰的局部范围内转捩发展为湍流状态,同时高湍流度尾迹的干扰具有抑制逆压梯度下附面层分离的作用,并能够延长层流区的范围.     

Unsteady experimental and numerical investigation of aerodynamic performance in ultra-high-lift LPT

Detailed experimental and numerical investigations were performed for an ultra-high-lift front-loaded low-pressure turbine cascade (Zw = 1.58) with periodic wakes. The interaction mechanisms between the incoming wakes and endwall secondary flow were carefully examined. Wakes were produced by moving upstream rods, and flow field downstream of the cascade was measured using a seven-hole probe. Experimental results revealed that incoming wakes influenced not only the boundary layer development of the blade suction surface but also the complex endwall secondary vortex structures. On the suction surface: Incoming wakes clearly suppressed the suction side separation bubble at a low Reynolds number of 25000. Nevertheless, the effects of different wake passing frequencies were not significantly different at Re = 100000, and the profile losses under wake passing were even greater than in the absence of wakes. At the endwalls: Incoming wakes more strongly suppressed secondary flow at Re = 100000 than at Re = 25000, because the low-momentum fluid inside the incoming wakes clearly increased the endwall cross-passage pressure gradient at Re = 25000. The experimental results indicated that periodic wakes decreased the passage vortex and counter vortex core strength by 25% and 30%, respectively, at Re = 100000. Instantaneous results also demonstrated that endwall secondary vortices decreased significantly near the position of wakes passing.     

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.     

尾迹对低压涡轮端区非定常流动影响的数值研究

为提高尾迹对涡轮端区二次流影响的认识,利用尾迹降低端区损失,采用了数值模拟的方法对T106A非定常工况下的叶栅流动进行模拟,辅以实验进行校核。以上游尾迹对端区附面层的抬升作用和上游尾迹对叶栅通道前部涡系结构的破坏作用为切入点,分析尾迹对端区二次流非定常发展过程的影响。研究发现尾迹中心离开叶栅通道时,尾迹对叶栅端区二次流起抑制作用;当尾迹尾部离开叶栅通道时,尾迹卷起的轮毂附面层激励了端区二次流,使二次流更加活跃。     

基于表面粗糙度的超高负荷低压涡轮叶片附面层控制

实验研究了表面粗糙度对PACKD-A低压涡轮叶型损失及附面层特性的影响.实验分别在定常来流与非定常条件下进行,非定常条件下的上游尾迹通过运动的圆棒来模拟.粗糙叶片通过在光洁叶片表面切槽,埋入砂纸制作成型.叶型损失与吸力面载荷使用气动探针与壁面静压孔结合压差传感器来测量,附面层流场使用热线探针来测量.结果表明:覆盖5.2%吸力面弦长(起始于44.3%吸力面弦长,终止于49.5%吸力面弦长),粗糙高度为8.82μm的控制方案在非定常条件下效果最佳,该方案可在整个考察雷诺数范围内(3×104~12×104)降低叶型损失;覆盖19.5%吸力面弦长(起始于30%吸力面弦长,终止于49.5%吸力面弦长),粗糙高度为20.91μm的控制方案在定常条件下效果最佳,该方案可在低雷诺数范围内(小于8×104)降低叶型损失、扩大叶型正常工作雷诺数范围,但在高雷诺数下(大于8×104),却带来了一定的额外损失.      

来流湍流度对超高负荷低压涡轮附面层流动控制手段的影响

实验研究了表面粗糙度耦合上游尾迹的流动控制技术,分析了来流湍流度（FSTI）在流动控制过程中对叶片吸力面附面层分离、转捩特性的影响.实验发现:在速度峰值点至分离点之间布置粗糙高度与弦长之比为1.05×10-4的粗糙条带可以在来流湍流度为0.4%与2.2%的低雷诺数范围内降低叶型损失.在雷诺数为85000的状态下,FSTI影响了尾迹通过区、尾迹诱导转捩区及自然转捩区的附面层动量厚度,造成了叶型损失的差异,但FSTI对抑制区的影响较小.