跨音弯掠风扇转子叶片的气动弹性剪裁

跨音风扇进口级增压比的进一步提高,主要受两方面的制约,一是效率,二是气动弹性失稳。这两个因素与转子流场中的激波和激波诱导的大尺度分离紧密相关。激波结构又和转子叶片前缘空间曲线形状直接联系。因此,如何精心设计转子叶片前缘空间曲线形状来控制激波结构,就成了当代风扇气动力学的前沿,并导致风扇弯掠空气动力学概念的出现。在具体设计中,此问题可称之为气动与气动弹性综合剪裁。本文简述综合剪裁中的一个组成部分,即气动弹性剪裁问题,并对一个单级风扇转子叶片给出实例。     

附面层抽吸对高负荷跨音风扇转子性能的影响

针对高负荷跨音速压气机存在强激波及严重的激波与附面层干扰,以某高负荷跨音风扇转子为研究对象,采用数值方法研究了吸力面不同抽吸位置对风扇转子性能的影响。结果表明：高负荷跨音风扇转子存在激波和逆压梯度引起的附面层分离,合理的抽吸位置既能有效的削弱激波与附面层干扰,又能控制尾缘分离,使通道激波后移,扩大流道高马赫数范围;通道内三维激波范围的扩大会带来转子稳定裕度的负面影响。     

Flow characteristics around airfoils near transonic buffet onset conditions

In transonic flow, buffet is a phenomenon of flow instability caused by shock wave/boundary layer interaction and flow separation. The phenomenon is common in transonic flow, and it has serious impact on the structural strength and fatigue life of aircraft. In this paper, three typical airfoils: the supercritical OAT15A, the high-speed symmetrical NACA64A010, and the thin, transonic/supersonic NACA64A204 are selected as the research objects. The flow fields of these airfoils under pre-buffet and buffet onset conditions are simulated by Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes (URANS) method, and the mode analysis of numerical results is carried out by Dynamic Mode Decomposition (DMD). Qualitative and quantitative analysis of the shock wave motion, shock wave intensity, shock foot bubble and trailing edge separation, and pressure coefficient fluctuation were performed to attain deep insight of transonic buffet flow features of different airfoils near buffet onset conditions. The results of DMD analysis show that the energy proportion of the steady mode of these airfoils decreases dramatically when approaching the buffet onset angle of attack, while the growth rate of the primary mode increases inversely. It was found that at the onset of buffet, there exist different degrees of merging behavior between shock foot bubble and trailing edge separation during one buffet cycle, and the instability of shock wave and separation induced shear layer are closely related to the merging behavior.     

Transonic buffet control research with two types of shock control bump based on RAE2822 airfoil

Current research shows that the traditional shock control bump (SCB) can weaken the intensity of shock and better the transonic buffet performance.The author finds that when SCB is placed downstream of the shock,it can decrease the adverse pressure gradient.This may prevent the shock foot separation bubble to merge with the trailing edge separation and finally improve the buffet performance.Based on RAE2822 airfoil,two types of SCB are designed according to the two different mechanisms.By using Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) and unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes (URANS) methods to analyze the properties of RAE2822 airfoil with and without SCB,the results show that the downstream SCB can better the buffet performance under a wide range of freestream Mach number and the steady aerodynamics characteristic is similar to that of RAE2822 airfoil.The traditional SCB can only weaken the intensity of the shock under the design condition.Under the off-design conditions,the SCB does not do much to or even worsen the buffet performance.Indeed,the use of backward bump can flatten the leeward side of the airfoil,and this is similar to the mechanism that supercritical airfoil can weaken the recompression of shock wave.     

叶尖小翼对跨声速压气机转子变工况性能的影响

为了进一步揭示叶尖小翼对跨声速压气机转子气动性能的影响机理,利用数值模拟方法研究了不同叶尖小翼安装方式对跨声速压气机转子气动性能的影响,并在分析跨声速压气机转子不同转速时的流动失稳机制的基础上探讨了叶尖小翼的扩稳机理.研究结果表明:最大宽度的压力面小翼在100%,80%及60%设计转速下分别使得跨声速压气机转子失速裕度增加8.1%,17.4%和7.1%.100%及80%设计转速时,转子叶尖区激波/叶尖泄漏涡干涉及泄漏涡破裂后产生的阻塞区是影响跨声速压气机转子内部流动失稳的关键因素.压力面小翼的扩稳机制在于降低了叶尖泄漏流强度,减弱了激波/叶尖泄漏涡干涉的强度,减小了叶尖泄漏涡破裂后产生的阻塞区.60%设计转速时,转子叶片吸力面气动过载导致的大面积的分离流动是诱发该跨声速压气机转子失稳的主要机制,此时压力面小翼的扩稳机制在于降低了转子叶尖来流的等效攻角,减弱了转子吸力面附面层三维分离的程度.      

两类对转风扇的设计与气动特征数值研究

采用一维设计程序分析了前后转子设计转速比的影响,研究了平均半径处的增压比、绝热效率、扩散损失和激波损失随转速比的变化规律.用计算流体力学分析了设计点与非设计状态的两个对转级流场,研究了其详细物理现象.结果表明两个对转级的设计与非设计性能均良好.发现低速风扇的两个转子均为常规跨声速转子,而高速风扇的前转子常规,后转子则为前缘激波和通道激波均贯穿全叶展的全超声速转子.同时发现,均带有与常规风扇级相当的失速裕度,低速对转级是两个转子同时达到失速点并且激波被推出叶栅,而高速对转级则是后转子先达到失速点并激波推出,从而后转子决定着级失速裕度.      

跨声速轴流压气机径向涡现象与失稳机理

对NASA Rotor 37进行数值模拟并与实验结果对比,计算了堵塞点到失稳点的全部工况,详细探究了跨声速轴流压气机附面层分离规律与失稳机理.研究发现:激波后的吸力面附面层中存在一条径向涡,它增强了附面层分离,使部分靠近吸力面的主流向叶尖堆积.随着工况向失稳点推进,压气机转子叶尖出现两块堵塞区,由叶尖泄漏涡与激波作用引起的堵塞区位于压力面前端,由叶尖泄漏涡与径向附面层分离涡耦合作用引起的堵塞区位于吸力面50%弦长后,两块堵塞区的叠加作用最终引起压气机失稳.      

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。     

端壁吸/吹气对超声速压气机叶栅流场影响机理的对比研究

附面层吸/吹气是抑制流动分离、提高压气机叶片负荷的有效技术途径。针对超声速压气机叶栅内激波诱导的角区分离,分别采用多种不同的端壁吸/吹气方案对其进行流动控制,旨在探索端壁吸/吹气对激波干涉下角区分离的控制机理,并对比分析端壁吸/吹气对超声速压气机叶栅角区分离的控制效果。结果表明:在激波/端壁附面层干涉下,该超声速压气机叶栅内存在大范围的激波诱导角区分离,角区分离使得该超声速叶栅存在强三维效应,二维叶栅中的单正激波变为"斜激波+正激波"结构,叶中吸力面尾缘开式分离变为闭式分离;端壁吸气可有效抑制该超声速叶栅的角区分离,吸气后近端壁区损失系数大幅降低,最优端壁吸气缝方案的起始点与亚声速压气机叶栅相同,但端壁吸气后叶中的双激波结构变为单正激波结构,叶中流动分离增大;端壁吹气也可有效抑制角区分离,其控制效果略优于端壁吸气,其原因是吹气缝处的静压高于吸气缝,对激波的增强作用弱于端壁吸气;与端壁吸气方案不同的是,最优端壁吹气缝方案的起始点位于叶片前缘。     

压气机转子内尖区近失速状态三维流场

在低速大尺寸压气机实验台上 ,借助于旋转四坐标探针位移机构 ,用锥形五孔探针测量了压气机近失速状态下 ,转子叶片通道后段尖区内的三维流场。测量结果表明 ,吸力面附面层径向潜移强烈 ,并出现气流分离 ,在尖区的近吸力面区域形成一个旋涡 ;压力面角区存在刮削涡 ;在叶尖槽道中部 ,吸力面角区附面层与压力面角区附面层气流掺混 ,造成高损失和高阻滞。所有这些构成了尖区的复杂流动     

转子叶尖开缝对跨声速轴流压气机性能及流场结构影响机理研究

为了研究转子叶尖开缝对跨声速轴流压气机性能和流场结构的影响机理,设计了一种渐缩式射流缝,提出在转子叶尖不同相对位置开缝的流动控制方案,通过数值计算的方法对各开缝方案与压气机的流场进行对比分析.结果表明,开缝位置靠近前缘时压气机总压比提升了1.39％,但综合稳定裕度降低了0.18％;开缝位置靠近尾缘时,压气机总压比提升了...     

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.      

跨音叶栅三维激波损失的改进模型

在低展弦比、低轮毂比的轴流压气机中激波结构常常是三维的。叶尖区域的三维激波损失在整个流场的激波损失中占有十分重要的比例。Ｗｅｎｎｅｒｓｔｒｏｍ和Ｐｕｔｅｒｂａｕｇｈ于１９８４年推出的三维激波损失模型忽略了激波在叶尖区域的流动结构。通过分析叶尖区域的激波结构及其与机匣附面层流动的相互作用,提出了考虑叶尖区域激波与附面层相互作用所引起的激波结构及强度变化的跨音叶栅三维激波损失的改进模型,应用改进模型计算得出的结果和实验结果符合的很好。     

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。      

附面层抽吸对转子激波结构和分离流动的影响

 通过在叶片表面进行开缝抽吸组织激波结构、控制附面层流动以提高叶片做功能力、降低损失已被证明是一项行之有效的方法。以两级风扇的第2级转子为研究对象,通过吸力面和压力面的抽气研究,揭示了抽吸流与激波之间的相干效应以及抽吸流与分离流的相互制约关系。结果表明：通过抽吸能够控制通道中激波的相对位置,改变通道中激波结构,可以避免由于激波造成的附面层分离;通过适当的附面层抽吸可以消除分离区复杂的旋涡结构,提高通道中的气流流通能力,从而改善整个级的性能。     

新型桨尖抑制旋翼跨声速特性的影响分析

为研究不同形式的新型桨尖在抑制旋翼跨声速特性方面的作用,开展了多种桨尖对旋翼局部流动及气动特性影响的数值分析研究.发展了基于高效嵌套网格方法的旋翼流场高精度CFD求解方法.在此基础上,详细分析了桨尖外形对旋翼桨叶跨声速区域激波强度、激波诱导气流分离、桨尖涡尾迹及气动性能的影响.数值结果表明:桨尖的后掠和上反在缓解旋翼跨声速特性方面的作用相对较小;桨尖前掠和下反能更有效地减少桨尖外端跨声速区域,降低该位置激波强度并缓解激波-附面层干扰诱导的气流分离;后掠桨尖在减小旋翼反扭矩方面的整体效果良好,直线前掠桨尖在大桨盘拉力状态能够更有效降低旋翼扭矩(直线前掠30°时,扭矩降低达12.3%),桨尖下反可以有效抑制桨尖涡强度(抛物下反30°时,桨尖涡强度降低50%),并加快桨尖涡尾迹的耗散.      

叶尖间隙对跨声速轴流压气机近失速的影响

以跨声速轴流压气机rotor 37为研究对象,利用数值仿真计算方法,采用高密度网格对跨声速轴流压气机设计间隙、1/2设计间隙、1/4设计间隙、2倍设计间隙以及零间隙下近失速状况进行计算.计算结果显示:由设计间隙减小到1/2设计间隙时,跨声速轴流压气机压升和绝热效率损失不大,跨声速轴流压气机失速裕度却提高了4%.在此基础上,引入失速分类方法以及涡动力学理论,对流场进行细节分析.提出适当改变间隙可以有效地拓宽跨声速轴流压气机稳定工作范围,但是间隙改变对泄漏涡破碎以及边界层分离有着重要的影响,甚至诱导不同的失速形式,为跨声速轴流压气机间隙设计提供参考,并且从气动角度探讨在跨声速轴流压气机中应用间隙控制技术的条件.     

单转子轴流压气机不同状态下进出口三维时均流场

用圆锥四孔高频压力探针测量了单转子轴流压气机不同流量状态下, 转子进出口三维时均流场。结果表明, 压气机转子进口流动沿周向呈现较强的周期性变化, 尤其在近失速状态, 叶片压力面侧总压和静压高, 吸力面侧总压和静压低, 而前缘附近轴向速度低、相对气流角大。      

机匣处理改善某单级跨声轴流压气机性能的机理研究

采用全三维数值方法研究了轴向倾斜缝机匣处理对某单级跨声轴流压气机性能的影响.数值结果表明:机匣处理不仅扩宽压气机稳定工作范围,而且还略微提高了单级跨声轴流压气机峰值效率.通过详细分析压气机转子内部流场,揭示了该机匣处理对该单级跨声轴流压气机性能及流场影响的机理,在倾斜缝中形成的回流作用下,使叶顶吸力面气流分离的起始位置向下游推移,并削弱了分离流与叶顶间隙泄漏流相互作用造成的恶劣影响,提高了叶顶通道的流通能力,进而推迟压气机失速的发生.      

叶尖掉块对跨声速压气机气动性能影响

为了支撑服役环境下压气机气动性能的评定,通过数值仿真研究了叶尖掉块对跨音速压气机转子气动性能的影响规律和机制。首先利用实验结果对数值仿真方法进行校验,验证了方法的可靠性,进一步对不同形式叶尖掉块下压气机气动性能进行了仿真分析。研究结果表明转子叶尖掉块会使得压气机正常工作状态下压比和效率略有降低,导致压气机近失速点流量明显增大;在大流量工况下压气机气动性能与掉块叶片的相对位置并无直接关联,但在近失速点,掉块叶片不相邻时会使得对压气机压比和效率下降更多,但近失速点流量对掉块叶片相对位置的变化并不敏感;转子叶尖掉块会增强叶尖区域泄漏流动,强的泄漏流动与叶片通道激波发生相互作用会引起泄漏涡的破碎,引起较大的流动堵塞和损失,导致压气机气动性能衰减;掉块叶片产生的流动堵塞和吸力面气流的膨胀加速会影响到吸力面侧的掉块叶片,进而限制泄漏流的发展,使得流动堵塞和损失维持在较低水平,但这种影响会随着掉块叶片距离的增大而减弱。