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.      

轴流涡轮基元级静叶稠度对转静干涉的影响

对具有不同静叶稠度的轴流涡轮基元级的非定常流动情况进行了数值模拟,考察了静叶稠度对涡轮基元级转子的非定常势干涉、静叶尾迹与动叶的干涉及基元级性能非定常性的影响,探究了静叶稠度对转静干涉的影响机制.研究结果表明:当静叶稠度增加时,转子的非定常势干涉在上游静子中的扰动强度增加,但衰减加快,传播范围变短;静叶稠度的改变通过引起静叶尾迹的强弱、尾迹与动叶干涉的频率和动叶通道中的流动状态的变化来改变尾迹干涉的强弱;进而通过尾迹干涉强弱的改变影响基元级性能的非定常性.      

高压涡轮封严冷气对主流气动性能的影响

为研究涡轮轮毂封严结构的加入对高压涡轮主流流动的影响,运用数值模拟方法,对无封严冷气喷入的原型和四种封严结构下一级涡轮动静叶的主流流动特性进行细致研究。为保证数值计算的准确性,进行了网格无关性分析和数值方法可靠性验证。研究结果表明:封严结构的加入会降低涡轮动叶效率和级功率,封严冷气射入主流后,冲击主流边界层内的流体,使得局部区域流动发生改变。主流在封严出口处发生流动分离,增大了静叶能量损失,同时影响静叶和动叶流道中通道涡的发展,造成动叶端区流动结构的变化并引起掺混损失。覆叠封严具有的弯曲的封严内部结构,对主流气动性能影响较弱。      

超声速串列静叶设计

高压比单级风扇静叶进口全超声,气流转折角大于50°,常规单排静叶难以达到这样高的负荷水平,采用串列静叶结构是一种有效的技术手段。针对进口超声的基元叶型,采用灵活控制中线形状的基元叶型设计方法,优化叶型前缘激波结构,降低激波、附面层干扰引起的损失。在级环境下,对分别采用新方法和定制叶型方法设计的串列静叶进行详细的性能对比,三维数值模拟结果显示:应用新方法设计的高负荷串列静叶,可降低激波损失,优化叶排通道内的激波结构,有效控制尾迹分离,改善叶片排间的流动匹配,提高串列风扇性能。     

超声速压气机叶栅中激波,边界层相互作用的基本现象及被…

高级压比轴流压气机叶栅中激波，边界层相互作用会引起激波振荡并增加流动损失，本实验在超声速压气机叶栅风洞中研究激波，边界层相互作用现象并用激波，边界层相互作用的被动式控制方法寻求减弱激波振荡，减小流动损失的途径。     

考虑动叶顶部间隙影响的跨音涡轮级的数值模拟

本文给出了一种基于区域分解算法的可考虑动叶顶部间隙和机匣刮削作用的涡轮级计算方法。并对NASA实验涡轮级进行了计算, 计算结果和实验结果吻合得很好。通过分析, 可以发现动叶顶部间隙流动将引起动叶顶部气流的欠偏转, 从而降低顶部的做功能力, 并且这一影响区域会达到一个相当大的范围。在动叶叶片顶部尾缘存在激波的情况下, 尾缘激波和顶部泄漏流动相互作用使激波结构变得十分复杂和无序, 这种无序的结构必然带来较大的损失。      

吹气位置对高负荷扩压叶栅性能的影响

高负荷扩压叶栅边界层容易发生流动分离.采用吹吸气相结合的流动控制方法可以有效控制分离并且提高扩压叶栅的性能.影响吹吸气流动控制效果的因素有很多,包括吹吸气位置.吹吸气流量以及吹吸气槽宽度等.通过研究某一大弯折角低稠度扩压叶栅在不同位置处吹气的数值模拟.发现从3%至17%弦长不同位置处吹气均能有效控制叶栅中的边界层分离,提高叶栅总体性能;计算还表明在原型叶型吸力面产生激波处吹气可以达到最好的控制效果,叶栅总压损失系数可降至原型的12%以内.     

基于DDES的跨声速导叶中激波与边界层干涉机理研究

随着透平负荷的逐渐提高,为了分析导叶中出现的激波与边界层干涉的流动机理,需要使用高精度、高分辨率的求解器和先进的湍流计算方法以获取精细的流场结构。采用自主开发的混合RANS/LES求解器,对高负荷透平环境中激波与边界层干涉的流动现象进行研究。结果表明:跨声速流场中同时存在强激波和弱激波,弱激波可在作用位置附近导致熵生成率增大;强激波会诱导边界层分离,而分离区的存在使激波出现马赫反射现象。进一步对湍动能和流动损失进行了机理研究,发现在分离泡前湍动能较大,且湍动能的生成和对流占主导机制;在强激波后由强激波引起的熵生成率较大,且强激波前后区域流动损失主导因素不同。     

电弧放电等离子体激励控制超声速压气机叶栅激波/边界层干扰仿真研究

为研究电弧放电等离子体激励对超声速压气机叶栅激波/边界层干扰的控制作用,建立了模拟等离子体激励作用效果的唯象学模型,进一步以ARL-SL19超声速叶栅为对象,通过数值仿真研究了电弧放电等离子体与叶栅通道内部流动的相互作用及其对叶栅流动损失的影响。结果表明:等离子体唯象学模型能够较好模拟电弧放电等离子体诱导产生冲击波的气动特性。电弧放电等离子体激励对叶栅通道内部流动主要具有三种作用效果:在放电区,注入的热量会产生阻塞效应,增加近壁面气流的流动损失;在激波/边界层相互作用区,能够改变激波系结构,减小激波损失;在尾迹区,冲击波会诱导产生脱落涡。     

动叶顶部蜂窝面迷宫密封对涡轮级气动性能的影响

采用计算流体动力学软件数值研究了某1.5级轴流涡轮转子叶尖蜂窝面迷宫密封泄漏流动对主流流场的影响,分析了不同的顶部间隙下叶尖密封泄漏流对主流流场的影响以及泄漏流与主流的掺混对下游静叶流场的影响,并对带与不带蜂窝面的迷宫密封对涡轮级气动性能的影响进行了比较.研究结果表明:泄漏流与主流在动叶下游掺混后导致掺混区域流体速度发生偏转,以负攻角进入下游静叶,带来攻角损失.泄漏流体带有较高的径向速度,在静叶栅通道中会向中间叶展处发展,使得静叶栅上半通道的流场结构发生改变,带来额外的二次流损失.并且随着叶顶间隙的增大,损失也随之增大.蜂窝的特殊六边形结构极大地降低了密封腔中流体的周向速度,减小了泄漏流重新进入主流时与主流的速度差异,从而减小了掺混损失.并且蜂窝结构能改变迷宫腔内气体的流动形态,采用蜂窝面的迷宫密封能有效地降低泄漏.      

超声速压气机转子叶片吸力面抽气抑制附面层分离的机理

针对压气机叶片在高负荷及非设计工况下经常出现的附面层分离状况, 采用数值方法研究了叶片吸力面不同位置、不同吸气量时附面层抽吸对压气机转子气动性能的影响.数值结果表明:抽吸位置对抽吸效果有重要的影响, 通过在分离区下游一定位置处抽吸, 能够很好的抑制附面层分离, 改善气流在大分离点处的剧烈变化, 减少流动损失, 使得级效率和压比均有显著的提高;而在分离区上游或者分离区下游的较远处开缝抽吸, 则效果不理想.吸气量对抽吸效果也有一定影响, 存在一个最佳吸气量, 吸气量过大或者过小都会对结果产生不利影响.      

变几何径向透平损失模型及其分析

基于99 mm叶轮实验, 分析了变几何径向透平静叶的各种损失以及不同的损失模型.给出了变几何透平静叶冲角损失的定量分析.通过计算对比不同静叶喉部宽度下叶道边界层摩擦损失, 验证了Glass-man模型在计算叶片流道损失时, 与试验结果是相符的.基于NASA损失模型分析了径向透平静叶的尾缘损失, 损失随着出口边厚度呈线性增加, 减小出口边厚度是减小尾缘损失的有效方法.      

高压涡轮转子间隙泄漏流动的非定常特征研究

利用数值方法求解三维非定常雷诺平均Navier-Stokes方程模拟某跨声速高压涡轮流场,研究了某跨声速高压涡轮流场的非定常特征,通过详细分析动静干涉对间隙泄漏流动的影响,进一步明确了泄漏流周期性变化的规律和成因.研究发现:静子尾缘燕尾波的外侧分支外尾波是间隙内部流动结构变化的主要原因,间隙泄漏涡的周期性变化则受外尾波和尾迹的共同影响.外尾波深入转子通道内部周期性经过间隙,在间隙前缘附近产生很强的逆压梯度,使间隙前部流动方向明显改变而产生大范围分离.外尾波导致间隙泄漏流量明显增加并周期性震荡.在静子尾迹和外尾波共同作用下,泄漏涡强度出现波动且涡的位置前后移动,使泄漏涡呈现明显的非定常性.      

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.     

三维激波／附面层相互作用的起始分离预测

给出了一种预测三维激盘／附面层相互作用诱导的流动起始分离的方法。研究结果表明：激波与附面层相互作用所诱导的二次流动是影响起始分离的重要因素。当来流相对马赫数大于１．５时，强的激波／附面层相互作用可能导致跨音风扇转子叶尖区域的流动分离。     

一类关联转子分离尺度与损失的工程模型

将分离与损失相关联，提出了利用转子进出口参数来确定跨音风扇转子内部分离流动的方法。应用该方法对几个转子流场计算的结果表明，在转子的叶尖区域，由于强的激波与附面层相互作用，使得流动在激波后不久便发生分离。叶尖漏流涡可能对激波与附面层的相互作用诱导流动分离有较大影响。     

气膜冷却对激波与边界层相互作用影响的数值模拟

针对跨声速平面叶栅中气膜冷却对流场的影响,采用数值模拟的方法,分析了激波和边界层的相互作用及引入气膜冷却之后三者之间的影响。结果表明,由于激波形成的逆压力梯度导致边界层出现分离现象,在引入冷却射流以后被部分抑制,流场细节显示在原分离处新形成了两个方向相反的分离旋涡。保持冷却条件不变,随着孔间距的减小,边界层分离现象被抑制的效果更加明显,平面叶栅热力损失系数逐渐减小。当孔径和孔间距之比达到0.67时,相对于没有引入气膜冷却的情况,热力损失系数降低了13%。冷气流量对射流和主流相互作用流场影响显著,冷气出口局部超声速区域显著增大流场损失,降低冷却效果。