端壁组合射流对高速扩压叶栅损失特性的影响

提出了一种端壁组合射流技术以控制进口马赫数0.67的高速扩压叶栅端区流动。通过前缘射流旋涡可以增强端壁附面层与主流间的流体交换,阻碍横向二次流动,减小角区低能流体堆积;而采用角区射流注入能量能够进一步减弱吸力面侧流动分离。以上组合控制方法可较单独采用前缘或角区射流更有效减小栅内损失,提高其气动性能。当角区射流位于近吸力面侧的分离起始位置附近时,其改善栅内流动的效果最佳;远离吸力面的端壁射流则可抑制端区低能流体横向迁移及其与分离区流体间的相互作用,但其减小损失的效果弱于近吸力面侧的射流。随着射流总压比的增加,组合射流减小损失的效果先增加后减小;过大的总压比会加剧射流与来流间的掺混损失,使得叶栅气动性能恶化。当射流总压比为1.2时,损失减小最大可达12.6%,而射流流量仅相当于叶栅进口流量的0.64%。     

轴流压气机角区分离的研究进展

角区分离是一种常发生于轴流压气机"吸力面-端壁"角区的三维分离现象,该现象以及随之产生的流场堵塞和流场损失会对压气机的稳定工作和效率造成不良影响,严重时会发展为"角区失速"。随着现代轴流压气机单级负荷的提升,角区分离所产生的负面影响日益突出,严重阻碍了高负荷压气机的发展,各种主动、被动流动控制方法也因此被广泛应用于角区分离的流动控制。首先,从角区分离对轴流压气机性能的影响、角区分离的流场特征和角区失速的判别准则3个方面对轴流压气机角区分离的流动机理研究进行了回顾,详细讨论了角区分离的影响因素、角区分离的流动拓扑分析以及角区失速的定义与判别方法。其次,对三维叶片设计、翼刀与凹槽、旋涡发生器、非轴对称端壁造型、射流式旋涡发生器、等离子体气动激励以及附面层抽吸与附面层射流7类流动控制方法的研究进展进行了回顾,重点探讨了这些流动控制方法在抑制角区分离方面的应用,并给出了这些流动控制方法的对角区分离的作用机制。最后,对角区分离领域的研究现状进行了简要地总结,指出了现有角区分离的机理研究和流动控制研究所存在的不足,并对该领域未来的发展进行了展望。     

局部及全叶高合成射流对高速压气机静叶栅流场结构的影响

数值研究了合成射流控制高速压气机静叶栅吸力面角区分离,对比分析了不同射流结构对叶栅内流场结构及气动性能的影响。研究结果表明:合成射流通过周期性地吹气和吸气推迟角区分离、降低总压损失,由于吹气和吸气阶段的作用效果不同,使得叶栅出口损失系数的改善效果呈现出周期性波动。合成射流对通道涡以及角区二次流的有效控制是其取得良好控制效果的关键,当冲角为2°时,局部、全叶高方案最大可使总压损失系数分别降低22.2%和23.8%。由于局部叶高方案无法控制叶展中部的流动,造成该区域的尾迹损失增大,从而导致其流动控制效果弱于全叶高方案。两种射流结构都具有良好的变工况适应特性,全叶高方案在大冲角时逐渐体现出其优势,当冲角为4°时,总压损失系数的改善幅度相比局部叶高方案提高了2.8%。      

激励参数对合成射流控制压气机流动分离的影响

对吸力面施加合成射流激励的高负荷压气机静叶栅展开数值模拟,系统地研究不同激励参数对单缝合成射流改善叶栅气动性能的影响,并探索分段式合成射流控制流动分离的有效性。研究结果表明,单缝合成射流对栅内流动的作用效果主要取决于两个因素:射流切向动量注入带来的气动性能改善与射流输运过程的附加流动损失。单缝合成射流具有较为宽广的有效频率范围,当激励频率等于主流流过叶型的频率且射流满足有效激励动量要求时,对叶栅气动性能的改善效果最佳,总压损失降低约14.26%。分段式合成射流能够较好地适应不同叶高处分离起始点沿轴向变化对最佳流动控制位置的要求,在不增加有效射流面积的前提下可较单缝射流更为有效地控制流动分离,此时的损失降低幅度高达15.84%,从另外一个角度证实了激励位置对于非定常激励的重要性。     

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。     

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.      

被动射流旋涡对高速扩压叶栅气动性能的影响

提出了一种利用压力面与吸力面间压差产生射流旋涡的被动流动控制技术以改善压气机叶栅的气动性能,在进口马赫数Ma=0.67的高速扩压叶栅上验证了其有效性。结果表明,射流旋涡可有效增强吸力面附面层与主流间的能量交换,改变下游壁面涡的结构和尺寸,推迟流动分离,减小角区损失。当射流距分离线或端壁较近时,当地较厚的附面层使得旋涡上洗区的掺混损失增加;而射流距分离线或端壁过远时均会减弱下洗区能量注入对角区低能流体的影响;指向端壁的射流会增加壁面涡强度,而沿远离端壁方向过大的偏角则会减弱射流旋涡强度,从而减弱其控制效果。当射流轴向距叶片前缘xj/cx=40%、沿叶高距端壁h/H=15%、射流偏角β=60°时,其改善栅内流动的效果最佳,总压损失减小可达5.2%,而射流流量仅相当于主流的0.27‰。     

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。     

扫频式射流对涡轮叶栅间隙泄漏流动影响的数值研究

为控制涡轮叶栅中叶顶间隙泄漏流动和改善涡轮气动性能,将扫频式射流器(SJA)作为一种主动流动控制方法应用在涡轮叶栅的研究中。通过非定常数值计算,分析了SJA对涡轮叶栅叶顶间隙流动的作用过程以及作用机理,并且研究了不同工况下SJA对涡轮叶顶流场改善效果以及不同频率的SJA对叶顶流场的影响。结果表明:通过在涡轮叶栅上端壁增加单个SJA装置,可以有效地延迟上端壁的流动分离,其中最佳方案射流流量仅为进口总流量的0.35%,涡轮叶栅出口截面总压损失系数减少了11.48%。存在着最佳的频率284Hz,使SJA装置对流场的作用效果最佳,有效地改善了涡轮叶栅内的间隙流动。     

等离子体气动激励抑制压气机叶栅角区流动分离的仿真与实验

进行了等离子体气动激励抑制低速压气机叶栅角区流动分离的数值仿真研究,并进行了实验验证.小攻角情况下,叶片吸力面角区流动分离导致显著的尾迹总压损失.来流速度为50 m/s(雷诺数为223 000)时,等离子体气动激励可以有效的抑制角区流动分离,降低总压损失.激励电压、频率分别为10 kV和22 kHz时,50%叶高处的尾迹压力分布基本不变,60%和70%叶高处的最大总压损失分别减小了13.83%和10.74%.增加激励电极组数或激励电压,可以增强抑制效果.      

合成射流控制高速扩压叶栅二次流的数值模拟

数值研究了合成射流控制高速扩压叶栅角区分离,并揭示其推迟分离、降低损失的作用机理。研究发现:合成射流可以显著改善叶栅内流场的时空结构,叶栅出口时均总压损失系数最大降低19.8%,静压系数也提高了近8.8%。合成射流通过周期性地吹/吸气有效控制角区分离,吹气阶段的高动量射流流体增大了吸力面附面层及角区流体的能量,吸气阶段则借助于附面层抽吸作用有效减少了高熵、低能流体的堆积,从而增强了角区流体抵抗流向逆压力梯度的能力、并推迟流动分离,且吸气阶段的流动控制效果明显更好。射流角度和射流动量是影响合成射流作用效果的重要参数,近切向的合成射流有利于向附面层注入动量,增大射流动量也有助于增强流动控制效果。析因设计研究表明,射流角度的影响效应更为显著,但与射流动量之间并不存在交互作用。      

直孔射流对压气机叶栅流场影响的实验研究

为了探究直孔射流对压气机叶栅的影响,通过实验方法,结合流场显示技术和流场测试技术,对无控叶栅和直孔射流方案下的压气机平面叶栅在正攻角下的流场结构和气动性能进行了分析。结果表明:无控叶栅中吸力面存在三个螺旋点,而不同射流方案下螺旋点的数量和位置变化明显;无控叶栅端壁存在一个从吸力面起始的分离区,布置射流孔后,在射流孔前发展出马蹄涡,马蹄涡的两个分支的发展情况及其对流场影响随着不同射流方案呈现出不同的特点;射流孔的位置对控制效果有明显的影响,最佳方案减小了3.2%的总压损失,增大了1.86%的通流流量;在最佳方案下,吸力面螺旋点数量减少到了1个,端壁没有明显的尾迹出现,出口处高损失区的欠偏转和端区的过偏转均有所减弱。     

跨声叶栅角区激波/附面层干扰的开槽控制措施

提出了使用叶根槽作为一种被动控制手段来控制跨声叶栅的角区分离问题。在压力面与吸力面的压差作用下,叶根槽可产生自发射流,为叶栅吸力面侧角区注入高能流体,从而控制跨声叶栅的角区分离问题。通过数值模拟的方法分析了在不同攻角下叶根槽对压气机叶栅性能的影响及作用机理。结果表明:在小攻角下,叶根槽射流可破坏角区环形涡,从而有效减小跨声叶栅角区分离,提高叶栅的流通能力,改善叶栅性能;在大攻角下,叶根槽射流已不能破坏角区环形涡,但仍能为角区低能流体充能,减弱角区分离,从而拓宽叶栅工作范围。在0°攻角下总压损失系数可降低11.6%,同时叶栅攻角裕度由2°拓宽为3°。      

射流旋涡发生器控制大折转角扩压叶栅二次流

将射流旋涡发生器引入到某折转角为60°的扩压叶栅端壁二次流控制中,研究了射流方向和射流总压对扩压叶栅气动性能及栅内流动的影响.结果表明:当射流旋涡发生器侧向倾角为0°时,仅采用不足扩压叶栅进口流量0.5%的射流流量,即可显著减少栅内损失.射流旋涡有效阻碍和推迟了通道涡发展,在下洗侧将主流流体卷入端壁附面层内,而在上洗侧将低能流体带入主流中,从而减少了角区低能流体聚积,减弱了吸力面的分离流动.当射流进口总压采用与扩压叶栅进口相同的总压时,总压损失减小21.5%,且射流进口总压越大,其控制效果越明显.      

基于大弯角扩压静子叶栅的组合流动控制方法研究

为更好地控制叶中尾缘分离及角区分离,优化叶片吸力面流动分离结构,本文提出了全叶高槽道加全弦长端壁抽吸的组合流动控制方案。此外,本文还设置了全叶高开槽方案与端壁抽吸方案,以探究全叶高槽道射流与端壁附面层抽吸的相互作用机理。以一大弯角扩压静子叶栅为研究对象,本文对三种流动控制方案进行了详细的性能分析及对比。结果表明：组合控制方案对于原型叶栅叶中尾缘分离及角区分离的综合控制效果最佳,能够在全攻角范围内分别将原型叶栅的总压损失、气流转折角及静压升系数平均增大-38.4%、3.1°及16.2%。相比于全叶高开槽方案,组合控制方案的端壁抽吸槽有效抑制了全叶高槽道出口前端壁二次流的发展,进一步削弱了角区分离。相比于端壁抽吸方案,组合控制方案的全叶高槽道则有效消除了尾缘分离,避免了叶中流场的恶化。总体看来,组合控制方案有利于最大程度地拓宽叶片的可用攻角范围,提高其扩压能力。     

冲角变化对弯掠压气机叶栅壁面静压分布的影响

实验研究了冲角变化对不同掠型叶片组成的平面扩压叶栅壁面静压分布的影响。结果表明,变冲角时弯掠叶栅端部横向、径向及流向压力梯度分布改善,正冲角时端壁与吸力面附面层相互作用减弱,避免了低能流体在吸力面角区的积聚及分离,同时也使得中径附近损失有所增加,但其总损失没有明显增大;负冲角时弯掠叶栅中径附近的损失增加在总损失中占主导地位,气动性能下降。在较大正冲角时弯掠叶栅仍能保持角区流动的稳定,若增大中径处的设计冲角能够获得更好的气动性能。     

低雷诺数下吹吸气射流对NACA0012翼型气动性能的影响

基于Favre过滤的大涡模拟方法,对雷诺数Re=10^4,迎角α=6°下的NACA0012翼型上表面吹吸气射流进行了数值模拟,从翼型周围流场流线图、速度场云图、上下表面压力系数曲线以及上表面边界层位移厚度等多角度地分析了射流位置以及速度变化对翼型气动性能的影响。结果表明:射流位置对翼型气动性能影响较大,且吸气射流要明显优于吹气射流。对于吸气射流,前缘吸气要明显优于中后缘吸气,可有效增升减阻,并减小翼型尾部流动分离,抑制翼型气动参数扰动,其最佳吸气位置随着速度的增大逐渐向下游移动;而吹气射流对翼型气动系数的作用效果较差,但中后缘的吹气射流可减小飞行过程中的气动扰动量,且吹气越大,效果越明显。     

等离子体激励位置对抑制压气机角区分离效果的影响

为了揭示等离子体气动激励对角区分离的作用效果,应用FLUENT软件数值模拟了等离子体激励器对压气机叶栅角区分离的影响.采用等离子体激励器的简化唯象模型,在压气机叶片吸力面和端壁不同位置沿流向施加激励,对总压损失系数、极限流线、不同截面流动情况进行了比较分析.结果表明:吸力面激励对角区分离改善有限,角区未失速时,近分离点前是激励最佳位置,角区失速后,激励位置越靠前效果越好;端壁流向激励能明显减小角区分离损失,分离点至叶片前缘任何位置施加激励效果一样;组合激励同时减小吸力面边界层和端壁边界层损失,使角区分离消失且不受攻角变化影响.     

Separation control on NACA23012 using synthetic jet

A numerical study of separation control has been made to investigate aerodynamic characteristics of NACA23012 airfoil with synthetic jets. Computed results demonstrated that stall characteristics and control surface performance could be substantially improved by resizing separation vortices. The maximum lift was obtained when the separation point coincides with the synthetic jet location and the non-dimensional frequency is about 1. In addition, separation control effect was proportional to the peak velocity of the synthetic jet. It was observed that the actual flow control mechanism and flow structure is fundamentally different depending on the range of synthetic jet frequency. For low frequency range, small vortices due to synthetic jet penetrated to the large leading edge separation vortex, and as a result, the size of the leading edge vortex was remarkably reduced. For high frequency range, however, small vortex did not grow up enough to penetrate into the leading edge separation vortex. Instead, synthetic jet firmly attached the local flow and influenced the circulation of the virtual airfoil shape which is the combined shape of the main airfoil with the separation vortex. As a way to reduce the jet peak velocity, performance of a multi-array synthetic jet was investigated. Moreover, a high frequency multi-location synthetic jet was exploited to efficiently eliminate the unstable flow structure which was observed in low frequency range. Finally, by changing the phase angle in multi-location synthetic jets, highly controlled flow characteristics could be obtained with multi-array/multi-location synthetic jets. This shows efficiency of the current approach in separation control using synthetic jet.