轴流涡轮叶尖泄漏流动实验测量技术研究进展

基于公开文献与课题组现有实验研究成果，总结轴流涡轮叶尖泄漏流动实验测量的研究现状，并对未来发展方向进行展望。实验装置方面，现有大多数实验研究基于涡轮平面叶栅，针对旋转状态下间隙泄漏流动的测量较少；测量工况方面，低速条件下的实验研究较多，针对跨声速、超声速叶尖泄漏流动的研究较少；测量方法方面，多数实验为稳态定量和定性测量，且着眼于出口流场，针对涡轮转子叶尖间隙内部流动结构的非接触、瞬态测量研究较少；结果分析方面，多数实验着眼于分析泄漏流动对涡轮性能的影响，对泄漏涡非定常流动机理、泄漏涡与二次涡系的相互作用以及涡破碎的揭示尚不完全。基于涡轮转子实验台，结合端壁动态压力测量阵列，采用内窥式PIV、LDV技术对涡轮转子叶尖间隙内部及附近非定常泄漏流动的测量是一个亟待深入研究的重要方向。     

压气机叶栅端壁叶尖涡系结构非定常特性研究

为了研究压气机带间隙平面叶栅近失速工况下叶尖涡系结构特点以及其非定常流动特性,本文采用大涡模拟(Large eddy simulation,LES)方法对典型叶栅进行数值计算并结合Q准则分析叶尖涡系结构特点,探索流动规律及叶尖涡系耦合过程。研究表明:与额定工况相比,近失速工况叶尖流场更为复杂,并通过大涡模拟观察到了次泄漏涡的存在;额定工况下泄漏涡不发生破碎,主次泄漏涡在近失速条件下均发生破碎,破碎后形成的低能流体与尾缘分离涡是造成叶尖堵塞及损失的主要原因;次泄漏涡在不同时刻生成点位置及与弦长夹角周期性变化,次泄漏涡的摆动与叶尖角区分离涡团的周期性脱落是叶尖非定常性的主要原因。     

模拟叶尖间隙流的转动平面叶栅实验方案

通过对动叶叶尖进口端壁附面层的性状分析指出：采用平面叶栅模拟动叶叶尖间隙流时，端壁面静止和仅有端壁面运动进口端壁附面层与真实情况存在较大差异。根据转子静止、静子转动这一相对运动思想研制出动叶叶尖间隙流实验台。通过对叶尖附近叶片表面静压分布和间隙泄漏流量实验测量表明：端壁面与叶片之间的相对运动、进口端壁附面层内速度分布是对叶尖间隙流有重要影响的因素。     

冲角变化对涡轮叶栅内间隙流动的影响

航空发动机涡轮工作效率的损失很大程度在于涡轮叶尖间隙损失,而叶尖区域泄漏流动的形成机理强烈地依赖于叶栅的运行工况,因此有必要研究来流冲角的变化对涡轮叶栅内间隙流动的影响.为此在低速风洞中对三套不同叶片积迭线形状的矩形叶栅进行了实验,测量了间隙内以及沿流动方向8个横截面的气动参数.通过对实验结果的分析和讨论,认为随着冲角的增加叶顶压差与端壁流道横向压力梯度增大,同时叶栅的总流动损失也随之增加.     

空调器室外机轴流风机内部流动的PIV研究

采用粒子图像测速仪PIV,对具有半管道式结构特点的空调器室外机轴流风机内部流场进行了实验研究,并结合实验结果分析了叶片顶部的叶尖涡和叶片出口尾缘涡的流动特性.实验结果显示在轴流风机流道内部叶顶区域存在与叶轮旋转方向相反的叶尖涡结构.叶尖涡产生于叶片前缘叶顶近吸力面侧,在流道内部与主流发生干涉后朝向周向和出口传播并逐渐耗散.叶尖涡涡心轨迹与叶顶弦长方向的夹角为10°,在叶高方向上叶尖涡的径向位置并不固定.与普通管道内部流动不同,叶片顶部与导风罩间的间隙中未捕捉到明显的叶顶泄漏涡现象.叶片出口近尾缘处30%以上叶高明显捕捉到尾缘涡结构,叶片压力面和吸力面侧的径向速度存在明显的方向变化,切向速度在尾迹区增加.     

流向涡与涡轮叶栅二次流相互作用研究

研究有效的流动控制手段,降低涡轮内部二次损失,对于小展弦比涡轮的气动设计具有重要意义.利用涡发生器在叶栅入口前产生流向涡,通过试验和数值方法探讨这种基于旋涡相互作用的流动控制方法对涡轮平面叶栅二次流动的作用效果,并对不同流向涡情况做对比分析.结果表明:流向涡对涡轮叶栅内部流动会产生较为显著的影响,从而影响叶栅的性能,当所产生流向涡强度和位置较为合理时,有可能通过流向涡与二次流的相互作用达到较大幅度降低二次流损失的目的.     

在轴流风扇中的流场测量和显示

介绍了利用激光多普勒测速仪(LDA)和激光片光流场显示技术在一轴流风扇转子叶尖附近流场测量得到的结果.试验结果表明,转子叶尖处的通道涡并不是叶尖间隙流卷起造成的,而是由于端壁附面层受到叶尖间隙流的横向冲击后从机匣壁面上脱落形成的.     

一种控制微涡轮叶尖泄漏流的新技术(英文)

提出了一种逆向涡流发生器控制叶尖泄漏流的新技术,利用压力面和叶顶面的压力差将气流从压力面引入,在叶顶面逆着叶尖泄漏流方向高速射出从而控制和减小叶尖泄漏流。对某典型毫米尺度涡轮叶栅进行了有/无逆向涡流发生器流场的数值研究,分析了逆向涡流发生器对流场及叶栅性能的影响。结果表明在典型进口条件下,逆向涡流发生器使得叶尖间隙泄漏流量降低了2.8%,周向载荷升高了7.7%;与无逆向涡流器情形相比,有逆向涡流器时涡轮效率提高了约1.2%。     

不同冲角下有叶顶间隙的涡轮叶栅拓扑与旋涡结构

对具有叶顶间隙的直叶栅和正、反弯三套涡轮叶栅进行了实验测量,研究在较大间隙(0.036)下,气流冲角和叶片弯曲对叶顶泄漏流动的影响.根据壁面流动的墨迹显示,应用拓扑学原理,分析了叶片表面和上、下端壁的拓扑结构,指出当气流冲角由0°增至20°时,与零冲角下的同类叶栅相比较,鞍点的位置均移向上游,分离区的范围在沿流向和垂直流向的方向上扩大,上、下通道涡分离线向叶展中部爬升.在冲角为零以及20°的情况下,叶片正弯均消除了上通道涡,这一方面减少了壁面流场中奇点和分离线的数量,较大地降低了上通道涡与泄漏涡的相互作用损失,另一方面强化了端壁横流对泄漏流动的封堵作用,有利于降低相对漏气量.     

毫米级平面叶栅的PSP测量

建立了一种新型的非接触式压敏涂料(Pressure Sensitive Paint,PSP)测压系统,设计了一套可拆卸式毫米级平面叶栅实验段,首次应用PSP测压技术测量了有/无叶尖间隙毫米级叶栅叶背表面静压分布.结果表明:由于存在叶尖间隙,叶盆处高压气体通过间隙泄漏流入叶背,使叶背叶尖处压力明显大于叶根处;与无叶尖间隙相比,有间隙时泄漏对叶背表面压力的影响约占叶高1/3,叶背底端受泄漏的影响较小.     

透平叶片顶部间隙流动特性的实验和数值研究

利用粒子图像测速技术(PIV)捕捉透平叶片顶部泄漏流特征,并以此数据验证湍流模型和用商业软件CFX12.0进行的数值模拟方法.所研究的叶片为典型的GE-E3叶片,为了展示泄漏涡的生成和发展过程,用实验数据展示了3个不同截面的速度分布.数值计算中使用了混合网格生成技术及5种湍流模型.通过与实验数据的比较发现:RNG k-ε模型计算所得的泄漏涡与实验所拍摄的真实流动能较好地吻合.此模型和计算方法同样适用于研究叶顶射流对泄漏流的影响.计算结果显示:通过叶片顶部气膜孔射流产生的阻挡效应,最多能降低6.12%的主流泄漏.     

风力机叶尖涡特性及其控制

通过数值模拟研究了风力机叶片尖部尾涡强度和控制方法。在叶片尖部设计了不同倾斜角的漩涡扩散器来控制叶尖涡,分析了风力机叶片尖部漩涡特征和叶片表面压力分布情况。同时,研究了叶尖涡强度随风轮尖速比变化规律。研究结果表明,叶尖涡扩散器能够提高叶尖涡涡核的总压,削弱其漩涡强度。在粘性作用下,风力机尾流漩涡耗散更快,可有效地削弱翼尖尾涡的强度,提高叶片效率。     

三维动态失速模型在风力机气动特性计算中的应用

为了适应风力机叶片的大展弦比、旋转和只有单侧叶尖涡的特点,对已建立的适用于小展弦比直机翼的三维动态失速模型进行了一系列的修正,然后用于风力机三维非定常气动特性计算。该动态失速模型所必须的气动输入参数将由动量叶素理论方法计算得到。本文将动量叶素理论、三维动态失速模型、三维旋转效应模型适当耦合起来,获得了风力机叶片的三维非定常气动特性计算方法。应用上述方法计算得到了不同工况下的风力机叶片各截面的非定常气动载荷结果,并与风洞实验结果以及用二维动态失速模型计算的结果进行比较,对计算方法和计算结果进行了详细的分析和讨论。本文模型相比于二维模型,能够更好地仿真风力机叶片的三维动态失速气动特性,尤其在叶片外部截面效果更佳。     

采用PIV研究轴流风机叶顶泄漏流动

将粒子图像测速技术(PIV,ParticleImageVelocimeter)应用到低速轴流通风机实验台上,在设计工况下对轴流通风机转子叶顶区域的瞬态速度场进行了实验测量。测量得到了三个不同周向位置下的涡量图和速度矢量图,并观测到了叶顶泄漏涡的涡旋结构。重点研究了叶顶泄漏涡位置的不稳定性和锁相平均后的叶顶泄漏涡涡心的轨迹,并将实验结果与原有模型进行了比较。结果表明:叶顶泄漏涡涡心的运行轨迹与现有模型得出的估算公式的计算结果接近,基本吻合。     

基于层析PIV的椭圆水翼近尾迹梢涡实验研究

梢涡空化作为一种常见的空化现象，广泛存在于水力机械及船舶推进领域。梢涡空化初生与桨叶梢部的旋涡流动密切相关，因此有必要深入研究梢涡流场，揭示其流动特征与空化的内在联系。基于高时间解析度的层析PIV技术，在高速空泡水洞中对椭圆水翼的近尾迹梢涡流场开展了实验研究。结果表明:梢涡在近尾迹区域内存在明显的摆动现象，未考虑旋涡摆动的时间平均会在时均流场中引入额外的误差，因此在梢涡特性的定量研究中有必要滤除旋涡摆动的影响；在水翼脱落剪切层的作用下，涡核中心两侧的切向速度分布明显不对称，且在剪切层与涡核之间存在高速轴向流动区域；梢涡流场中的湍流脉动能量主要集中在涡核内部，且由法向、展向速度脉动主导。结合前人研究，发现法向、展向速度脉动是涡核内部湍流压力脉动的主要来源。     

带处理机匣的跨声速风扇非定常数值模拟

对带背腔的斜缝式处理机匣的三级跨声速风扇第一级转子进行了非定常的全三维时间精确的数值模拟计算,研究了机匣处理前后转子稳定裕度和性能的变化。结果表明,这种带背腔的斜缝式机匣可以大幅度地提高转子的稳定工作裕度,同时也会造成效率的降低。通过与光壁机匣对比以及分析处理机匣与转子通道之间的非定常干涉现象,本文认为该处理机匣在跨声速条件下的扩稳机理是激波在处理机匣内沿轴向静压差形成一股吹向转子叶尖前缘的非定常气流,改变了前缘气流的攻角所致。比较机匣处理后定常计算与非定常计算的结果,说明了处理机匣对转子有非定常的作用。     

基于CFD方法的主动襟翼控制旋翼翼型涡特性研究

基于计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)技术,建立了一个适用于旋翼二维主动襟翼控制(Active flap control,AFC)数值模拟的方法。在满足对翼型参数化分析的前提下,使用Euler方程求解以提高计算速度,并采用嵌套网格方法对AFC旋翼后缘襟翼进行运动控制。应用所建立的方法,首先进行了算例验证计算,然后着重对AFC旋翼翼型进行了数值模拟。在此基础上,进一步开展了AFC旋翼翼型主要参数对后缘涡影响的计算分析。结果表明:提高桨尖马赫数、增加后缘小翼摆动频率能加快涡产生速度;而提高桨尖马赫数、增大后缘小翼摆动幅度和后缘小翼长度能增大涡的强度;但增大后缘小翼与主桨叶缝隙间距仅在一定范围内能够增加涡强度。