自循环机匣周向偏置对轴流压气机非定常流场的影响

本文以NASA Rotor 35为研究对象,设置了正15°、0°和负15°三种不同周向偏置度数的自循环机匣,利用NUMECA软件包进行三维非定常数值模拟以研究机匣处理对压气机非定常流场的影响。计算结果表明,针对NASA Rotor 35由通道激波与叶顶泄漏涡相互作用导致的失速,不同周向偏置角度的自循环机匣处理均能够较好地拓宽压气机的稳定工作范围,且几乎不影响压气机峰值效率。其中周向偏置正15°的自循环机匣虽然流量裕度改进量最大,但是压气机的压比下降较大。周向偏置后自循环机匣的扩稳能力不再遵循传统上以回流量、喷嘴出口速度和自循环装置内的流动损失来关联扩稳效果的经验规律,而是由桥路和流场耦合的非定常过程导致的。其喷射和抽吸作用对叶顶流场的激励使得叶顶静压分布、泄漏流产生周期性波动,不同物理量峰值在时域上存在相位延迟。     

脉动背压离心压气机动态特性及稳定性

试验研究了脉动背压对离心压气机动态响应及喘振特性的影响规律。结果表明:脉动背压条件时压气机性能存在明显非定常特征,高频大幅脉动背压和陡峭的压比流量特性均可强化该非定常特征。基于试验结果,提出了脉动背压压气机非定常性能与脉冲特性及运行工况的关联模型。脉动背压导致压气机喘振边界左移,稳定运行范围最高拓宽12.3%。压气机向小流量工况趋近时,脉动背压引起的流场振荡减弱,但喘振所致的流场振荡逐步强化,致使流场振荡强度呈V型变化特征,表明了脉动背压与压气机气动稳定性之间存在耦合关系。研究探明了脉动背压条件对压气机动态响应和喘振特性的影响规律,对帮助真实运行环境压气机设计理论的发展具有重要意义。      

周向总压畸变对对转压气机影响效应分析

以对转压气机为研究对象,在数值方法校验的基础上,应用全通道定常流场分析手段计算了对转压气机不同周向畸变条件下的三维流场,获取了周向总压进气畸变对该压气机性能以及流场结构的影响效应,确定了对转压气机的临界畸变角,分析了不同畸变强度对压气机性能的影响规律,探讨了周向总压畸变在对转压气机中的发展演化过程。结果表明:(a)所研究的对转压气机临界畸变角约为72°,略高于传统动-静叶排交替的压气机临界畸变角;(b)相比均匀进气工况,当畸变指数为0.24时,对转压气机失速点压比和失速裕度分别下降3%和9.6%,当畸变指数为0.5时二者分别下降8.3%和19.8%;(c)未畸变区与畸变区流体之间存在的压力梯度影响转子叶片相对来流速度。进入畸变区叶片来流相对速度减小,负荷降低,退出畸变区叶片来流相对速度增大,负荷增大;(d)上游转子使得畸变水平提高,下游转子反向旋转效应抑制了来流相对速度变化趋势,增强了气流在其叶片通道中的掺混,使得畸变水平有所下降。     

跨声速多级压气机中的非定常流场频域分析

基于三维定常Denton程序发展了三维非定常计算程序,对三维跨声速多级压气机近失速点进行了定常与非定常数值模拟,并在此基础上对典型径向截面的非定常流场进行了频域分析。结果表明:通过对非定常频域图谱的研究,从一个全新的视角来分析非定常流场,可以看到一些在时域流场中很难直观看到的现象;轴向速度受尾迹的影响非常大,且在沿流向发展过程中,随着谐波阶次增加,幅值沿轴向的振荡幅度降低,幅值衰减的速度也加快;各叶排进口1阶谐波幅值在S3面内的分布受到下游叶排的势干扰,周向最大值点沿径向的走势与叶型的径向弯曲一致;气流密度、静压和总压受尾迹的影响较小,而气流静温、总温受尾迹的影响较大。     

涡流发生器对轴流压气机叶顶流动不稳定性影响的实验研究

为了探究涡流发生器对轴流压气机叶顶流动不稳定性的影响,在一台低速轴流压气机转子上开展了实验研究。将梯形和半球形两种涡流发生器分别安装在转子叶顶上游机匣上,基于不同的安装角度共制定了五种控制方案。分析了气动性能的变化,并采用频谱分析和统计分析方法考察了壁面脉动压力特性的变化。实验结果表明：采用梯形涡流发生器后,除安装角为90°的方案外,其它方案在各工况下扩压能力均略有下降,失速时的流量也明显减小。在流场存在旋转不稳定性或失速的工况,-45°方案时涡流发生器增加了来流的正预旋,增加了气流动量,同时产生的诱导涡会径向迁移,进而抑制了叶顶区域的旋转不稳定性或旋转失速的强度。     

跨声轴流压气机弯曲静叶出口三维流场测量

利用小型五孔探针测量了不同工况下单级跨声轴流压气机弯曲静叶出口三维流场。结果表明,静子出口有明显的尾迹特性,其对后排叶片的影响不容忽视。静叶角度调节对静子叶片出口气流角及尾迹形状有较大的影响。弯曲叶片对端壁角区低能流体具有径向迁徙作用,有利于提高压气机扩压能力。叶尖、叶根及静叶吸力面侧尾迹区,是高阻滞、高损失、高涡量区。径向速度在叶根及叶尖呈现较大的周向不均匀度,切向速度、轴向速度在叶根也存在较大的周向不均匀度。     

多扇平行压气机模型在压气机稳态畸变流场计算中的应用

描述了一个轴流压气机在进口稳态畸变条件下流场计算的方法。借助多扇平行压气机模型,采用流线曲率法,求解完全径向平衡方程,计算压气机内各叶排进出口气流参数的分布,从而得出压气机在进口畸变条件下流场的详细情况。以一台单级压气机为例,进行了进口总压、总温和气流角周向畸变条件下的流场计算,证明其结果是合理的。     

离心叶轮与扩压器相互干扰数值模拟

采用定常与非定常数值模拟方法,对某小型离心压气机进行数值计算,首先比较了定常结果与非定常时均结果的特性;然后结合离心叶轮出口和径向扩压器进口典型位置非定常压力脉动的频域特性,研究了离心叶轮与扩压器之间的转静干涉作用;最后着重分析了离心叶轮带与不带分流叶片对径向扩压器进口压力脉动频率特性的影响。结果表明:在相同流量下,非定常时均结果的压比偏高约3.7%,效率偏高0.1%;在带有分流叶片的离心压气机中,离心叶轮叶片出口与扩压器叶片进口的脉动除了叶片通过频率的非定常脉动外,分流叶片尾缘会产生与之强度相当的2倍叶片通过频率的非定常压力脉动。同时,分流叶片会对径向扩压器进口产生更强的0.5倍叶片通过频率非定常压力脉动,这些频率的非定常压力脉动很可能会对离心压气机叶片的疲劳强度造成影响。     

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。      

离心压气机非轴对称流动特性分析

为探求离心压气机蜗壳周向不对称结构引起的内部非轴对称流动现象,采用实验和数值模拟(湍流模型为S-A模型)相结合的方法进行研究。结果表明:非设计工况下蜗壳高静压区域产生的扰动压力波向上游逆向传播,使压气机内部出现非轴对称流动。大流量工况(0.40kg/s)下蜗壳静压的不均匀程度比小流量工况(0.26kg/s)更明显,叶轮出口较强的扰动压力波可以逆向传播到叶轮进口大约180°的周向位置。流经扩压器的气流径向和切向速度的周向不均匀程度在小流量工况下较为显著,但大流量工况下蜗壳进口气流随时间的波动程度更明显。叶轮内部的非轴对称流动特性对叶片载荷分布及其波动形式产生影响,大流量工况下主叶片表面载荷波动主要受基频影响,而小流量工况下主要受2倍频的影响。     

脉冲进气条件下可变喷嘴涡轮性能影响因素分析

为了改善涡轮和发动机的匹配,采用计算流体动力学(CFD)方法研究了脉冲进气条件下脉冲频率、脉冲振幅、喷嘴角度以及涡轮转速对可变喷嘴涡轮非定常性能的影响.研究结果表明:脉冲频率为80Hz时涡轮瞬态最低流量比40Hz时提高了10.4%,瞬态最低效率增加了4.7%,效率滞后现象更加明显;低脉冲振幅为25kPa时涡轮通流能力和效率迅速恢复,并且指出在低脉冲振幅时采用稳态设计是可行的;喷嘴角度为32°时,涡轮脉冲进气与稳态进气两种情况下的流量差异比喷嘴角度为10°时增加了3.3%,效率差异则增加了6.6%.涡轮内部脉动强烈,涡轮通流能力和效率下降明显;涡轮转速为47256r/min时脉冲进气造成的流量和效率变化分别比30000r/min时相应值高了2.9%和0.8%,高转速时涡轮内部流场易受到进口条件影响,涡轮流量、效率以及攻角与稳态情况偏离大.      

带90°弯管的离心压气机进口畸变数值研究

采用数值模拟计算的方法研究了90°弯管对离心压气机进口流场产生的畸变,并对比了两种弯管在不同轴向位置时其内部流场的区别,分析了弯管所致的进口畸变造成压气机性能下降的原因。结果表明,弯管畸变对离心压气机性能的恶化程度与弯管所在位置有关,距离叶轮进口较远的弯管影响较大。与无弯管相比,弯管造成叶轮进口的流场紊乱。畸变引起压气机性能在大流量时有明显降低,在小流量时恶化程度较小。这是因为流量增大时,进口畸变的作用增强,可以一直发展到蜗壳入口,并与舌部引起的周向畸变联合作用导致压气机性能下降。流量减小时,进口畸变的影响会减弱叶轮流道中的损失,有利于保持近失速状态下的压气机性能。      

跨声速压气机转子叶尖非定常流动的数值模拟

为了进一步加深对转子叶尖区域非定常流动现象的认识，针对某一跨声速单转子轴流压气机，采用三维非定常数值方法开展了详细研究。对单转子在不同进气条件以及不同工作流量下分别进行非定常模拟，来研究该转子叶尖区域复杂流动结构以及叶尖非定常流动的发展过程。结果表明:不同进气条件下，转子叶尖区域流场结构形式表现不同.当进口非轴向进气时，叶尖非定常流动呈单通道周期形式；而轴向进气时，叶尖区域出现了类似于“旋转不稳定”的沿周向传播的非定常流动现象，且随着工作流量的减小，叶尖区域流场结构也相应发生改变.      

离心压气机进气流场研究及控制

对某车用增压离心压气机进行了三维数值模拟,研究了离心压气机设计点和不同转速下近喘振点进气流场,基于此提出了离心压气机进气轮盖导叶流场控制措施并进行了验证实验.研究表明:离心压气机近喘振点压力面与吸力面压力差异影响到进气流场,导致进气口轮盖附近出现与叶轮转向相反的切向速度;且从低转速到高转速,该与叶轮转向相反的切向速度逐渐增大;离心压气机设计点进气在叶片压力面和吸力面前分别形成与叶轮转向相反和相同的切向速度区域,该区域不限于轮盖附近.轮盖导叶的流动控制方法可以有效抑制近喘振点切向反速度,实验结果表明,轮盖导叶使得离心压气机整体性能得到了提高,在90000r/min近喘振点压比提高了3.4%,效率提高了3.0%.      

脉冲频率对径向涡轮转子进口流动特性的影响

可调涡轮增压器涡轮转子进口的动静干涉效应以及脉冲气流的波动使得转子进口流动更为复杂,进而影响转子通道内的气体流动。为了更好地了解脉冲频率对涡轮转子进口流动特性的影响,应用ANSYS CFX软件对不同频率(20、40、60 Hz和80 Hz)脉冲进气条件下的全周径向可调涡轮模型进行数值模拟,并通过试验数据对数值模型进行了验证,得出转子进口平均气流角在一个脉冲周期内的分布规律以及气流角在周向和叶高方向的分布规律。发现脉冲频率对低压侧转子进口入射角影响更大,脉冲频率越低,低压侧的转子进口负入射角越大;周向绝对气流角分布规律相似,波动幅度基本相同;相对气流角在压力下降沿波动更稳定。      

总压畸变对风扇流场影响的全流道数值研究

采用全流道非定常数值模拟方法对进口稳态总压畸变条件下跨声速风扇流场进行求解.详细分析了总压畸变造成风扇性能下降的原因.分析表明,周向不均匀流场使得动静叶进口气流角变得不均匀,从而使进口攻角发生很大变化;动叶在不同周向和径向位置流动状况完全不同;畸变区内静叶根部至中径附近存在大范围的分离区.      

周向稳态总压畸变在多级轴流压气机中传递的逐级模拟研究

基于多级轴流压气机的逐级特性,建立了进口周向稳态总压畸变在多级轴流压气机中传递的逐级计算模型.对总压畸变条件下转子叶片攻角变化、级间周向流动和压气机出口耦合效应进行了数值分析,讨论了周向稳态总压畸变沿轴向衰减、级间周向侧流变化、失稳首发级和压气机出口耦合效应对压气机特性的影响.应用本模型方法对8级轴流压气机进行了详细的数值分析,计算结果表明,该模型方法是合理、可行的.      

进口畸变条件下轴流压气机转子内流的PIV研究

用50%堵塞比的插板畸变屏模拟低速轴流压气机进口流场畸变,用PIV(粒子图像速度场仪,ParticleImageVelocimetry)技术测量均匀和畸变进气条件下压气机转子叶片通道内的流场结构。实验表明,进气畸变条件下压气机流场在转子叶片通道内不同的周向位置会产生四种不同的流动结构状态,同时,进气畸变大大增加了漩涡扰动、流动亏损和转子叶排气流分离的强度,这样必然会对压气机的性能产生很大的影响。实验也验证了经典平行压气机理论的缺陷。