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.     

低雷诺数下翼型层流分离泡及吹吸气控制数值研究

在低雷诺数下Eppler387翼型表面会出现层流分离泡现象,因此本文使用Fluent求解器开展吹/吸气控制翼型表面层流分离泡的数值研究,主要探究了射流位置、射流角度、射流速度比三个控制参数对层流分离泡控制的影响规律.研究结果表明,采用与SSTκ-ω湍流模型耦合的γ～(Reθt)转捩模型可以准确预测层流分离泡的位置;吹/吸气可以有效抑制低雷诺数下层流分离泡的发展,明显提高低雷诺数下翼型升阻比.固定射流位置,较大吸气速度比和较小吹气速度比可分别获得较好的流动控制效果,且吸气控制比吹气控制对层流分离泡的抑制作用更加有效.     

边界层吹吸气对高负荷扩压叶栅性能的影响

采用边界层流动控制能够有效抑制扩压叶栅的流动分离。以某大弯折角低稠度扩压叶栅为研究对象,利用数值模拟手段研究了原型、叶片表面边界层单独吹气以及吹吸气相结合等边界层控制手段下的流场和叶栅性能变化情况。结果表明,无论是单独吹气还是吹吸气相结合的边界层控制方法,都能有效控制扩压叶栅中的边界层分离,从而较大幅度地增大叶栅负荷,并降低气动损失;计算表明,吹气和吸气的效果不尽相同,且吹吸气口位置及吹吸气流量对边界层的流动亦有较为明显的影响。其中采用1.7%的吹气流量,结合1.38%的吸气量,可以使静压增压比提高15%以上,而损失系数降低至原型的20%以内。     

射流对压气机叶栅分离流控制的数值研究

现代先进轴流压气机级负荷不断提高的发展趋势导致流动分离日益严重.借助数值模拟分别对非定常射流和定常射流进行了参数优化研究.结果表明:基于射流的主动流动控制能有效弱化或消除流动分离,不同射流方式存在不同的最优射流参数(射流方向、位置、速度和频率等),这就为利用射流控制轴流压气机分离流动的工程应用奠定了一定的理论基础.     

火花型合成射流控制运输机后体流动分离的数值研究

利用火花型合成射流对运输机后体流动分离进行了主动控制的数值研究。研究结果表明:火花型合成射流一方面直接向边界层分离区域输入高能动量，另一方面与外流相互作用后形成的旋涡强化了高速外流和低速边界层流的混合，从而推迟了运输机后体的流动分离，减小了分离区的大小；在相同的合成射流激励参数下，在边界层分离点处以及分离点后施加主动控制后的作用效果更好，平均阻力系数最大减小3.26%；与当量的定常射流、脉冲射流相比较，脉冲射流减阻效果优于定常射流，火花型合成射流优于脉冲射流。      

半埋入式S弯进气道主动流动控制研究

为了改善半埋入式亚声速S弯进气道出口气流品质,本文采用吹、吸气方式对其进行了主动流动控制数值研究。结果表明:吸气位置、吸气量变化显著影响进气道气动性能,最佳吸气位置位于唇口附近,当唇口吸气量为进气道流量的1.9%时,总压畸变指数降低约45.7%,总压恢复系数和增压比略有提高;而附面层吹气时进气道的性能仅在吹气量较小时有所改善;附面层吹、吸组合控制对流场的改善程度介于上述方案之间,而非单独吹、吸气方案效果的简单叠加。     

表面吸气方法控制分离的数值模拟

本文使用数值模拟方法研究了吸气效应对分离的控制及增升作用。数值模拟采用的出发方程为可压流的Ｎ－Ｓ方程，格式为Ｂｅａｍ－ｗａｒｍｉｎｇ格式的改进型。主要研究结果表明：（１）在一定的吸气压强Ｃ＿（ｐｓ）范围内，绕圆柱流动的卡门涡街现象基本消失，流动从典型的非定常流趋于定常，圆柱的升阻比明显提高；（２）对于圆柱，吸气压强系数Ｃ＿（ｐｓ）＝－６时，综合效果比较好；（３）吸气孔位置开在圆柱上表面逆时针方向６０°时，圆柱的升阻比较高；（４）吸气可有效地提高翼型的升力     

脉冲吹气对无缝襟翼翼型气动性能的影响

只有采用足够小的能量输入,获取更大的空气动力收益后,主动流动控制才有可能在真实飞机上获得更广泛的应用。脉冲吹气比定常吹气所需能量更少,控制效果更好,在改善翼型气动性能上得到广泛的研究。数值模拟了脉冲频率、占空比、动量系数等参数对无缝襟翼翼型升阻特性的影响规律,研究表明,脉冲频率接近于涡脱落频率时增升效果最好,当脉冲频率小于涡脱落频率时,阻力增加,当脉冲频率为涡脱落频率2倍时,阻力减小最多;动量系数较小时,占空比越小,冲击效应越强,增升效果越好;动量系数小于临界动量系数时,脉冲吹气增升效果优于定常吹气,当动量系数大于临界动量系数时,脉冲吹气控制效果低于定常吹气。研究脉冲吹气参数对翼型性能的影响规律,对采用周期性激励增升减阻、舵面增效的飞行器设计具有一定参考意义。     

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。      

振动凸包控制低雷诺数高负荷低压涡轮叶栅层流分离的数值研究

为了抑制高载荷低压涡轮PAKB叶栅在低雷诺数2.5×104工况下的层流分离,在叶片吸力面布置振动凸包进行主动流动控制,凸包为半正弦型几何,以最大振幅1mm、频率200Hz垂直于壁面按正弦波形非定常振动,通过非定常数值方法研究了振动凸包位置、几何宽度对叶栅气动性能的影响。结果表明,最佳振动凸包位置位于峰值速度点上游附近,叶栅总压损失系数相较无控叶栅而言降低28.8%,而位于分离点下游以及峰值速度点远上游的振动凸包恶化了叶栅性能;当振动凸包置于吸力面最佳位置时,凸包几何宽度对叶栅损失的影响较小。振动凸包流动控制机理来源于附着于叶片吸力面的连续凸包脱落涡团,涡团通过增加主流与壁面低能流体之间的能量交换,将低能流体限制于壁面附近,有利于抑制大尺度流动分离。     

主动流动控制技术的初步数值研究

利用亚跨超CFD软件平台2.0版本(trip2.0)对几种常见的流动主动控制技术进行了数值模拟,对包括进气道和襟翼等几个算例的流场进行了定常和非定常求解,获得了合理的计算结果,为今后的进一步深入研究打下了良好基础.     

襟翼吹吸气控制技术在二维多段翼型中应用的数值模拟

飞机在增升装置打开的情况下,襟翼后缘流动分离严重,阻碍升力系数的增加,可以采取主动流动控制的方法控制分离,提高升力系数。本文利用FLUENT 6.3.26软件,针对某多段翼,在襟翼上翼面设置吹吸气孔,分别进行吹、吸气控制,通过改变流量和孔的位置,进行了襟翼上翼面吹、吸气流动控制对二维多段翼型升力性能影响的数值模拟。计算结果表明:应用吹、吸气技术均可获得更高的升力系数,且能延迟边界层的分离;不同的吹吸气孔流量、位置,对多段翼升力增量有不同程度的影响。     

叶型附面层分离流动控制技术研究进展

叶型附面层分离流动控制技术,通过流动控制方法减小和控制叶片吸力面附面层的分离气流和低能流团,提高压气机或涡轮的效率和工作稳定性。主要介绍了国外研发的涡流发生器、射流注入、附面层抽吸、叶片附面层转捩控制和等离子体气动激励等流动控制技术的特点、作用机理和实验验证结果,以及国内在叶型附面层分离流动控制技术方面的研究进展。     

零质量射流与分离控制的数值模拟

在非定常可压缩方程的求解当中引入预处理方法、多重网格等加速收敛技术,提高了可压缩方法处理低速问题的效率和精度。利用该方法对两个流动控制算例进行了数值模拟,首先模拟了零质量射流的外部流场,从射流中心线上的速度分布、射流宽度等方面均得到了和实验较为一致的结果。之后模拟了不同控制下的绕二维翼型的分离流动,包括有定常吸气和零质量射流,两种方法都不同程度上使分离泡长度缩小,分离区的压力升高,一定程度上显示了两种方法在分离流动控制上的应用潜力。     

开槽位置和槽道结构对叶栅性能的影响

基于利用小槽出口射流控制叶片吸力面尾缘分离气流的思想,为进一步研究开槽位置和槽道结构对叶栅性能的影响,设计了三种叶片开槽处理方案,用CFD方法对开槽前后的流场进行数值模拟分析.计算结果表明,小槽出口射流可以有效吹除叶片吸力面尾缘分离气流,控制和延缓附面层分离,从而增大了气流转折角,降低了总压损失,提高了叶栅流场稳定性,并且叶片开槽位置和槽道结构对叶栅性能也有较大的影响.     

带脉冲式涡流发生器的低压透平叶片流动控制数值模拟

 基于Langtry-Menter转捩模型的SST两方程模型,通过数值求解三维非定常雷诺时均Navier-Stokes方程,详细研究了脉冲式射流涡流发生器(pulsed VGJs)对Pak-B低压透平叶片吸力面流动分离的影响,揭示了pulsed VGJs流动控制机理以及脉冲频率和占空系数在流动分离控制过程中的内在关联。数值计算结果表明,pulsed VGJs的引入能够有效抑制甚至消除低雷诺数条件下叶片吸力面上的流动分离,减小总压损失和尾迹宽度。在pulsed VGJs流动控制中,存在最佳射流参数(脉冲频率f和占空系数DC)以获得最大程度的流动控制效果。当f=10 Hz,DC=0.5时,pulsed VGJs流动控制效果最佳,相对于无pulsed VGJs控制时总压损失减少了58%。     

超音速气流绕局部透气凹角流动的数值模拟

 以具有压力分裂形式的简化Ｎ Ｓ方程为控制方程，数值模拟了超音速来流条件下的激波 边界层干扰被动控制（ｐａｓｓｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｓｈｏｃｋ ｂｏｕｎｄａｒｙｌａｙｅｒｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）。模拟是以预先给定激波前吹气和激波后吸气的流量来实现的。为了定性地确定吹气或吸气对激波 边界层干扰的影响，首先计算了单独吹气和单独吸气两种情况。数值计算时采用了多重扫描法对控制方程差分离散，以反映亚音速区压力对流场的椭圆性影响。     

A high-order compact finite-difference scheme for large-eddy simulation of active flow control

The purpose of this article is to summarize a computational approach, which developed and matured over an extended period of time, and has been shown to be useful for performing large-eddy simulation (LES) of flows with active control. Because of the nature of active flow control, simulation of this class of problems typically cannot be carried out accurately by methods less sophisticated than LES. Active control flowfields are highly unsteady, and can be characterized by small-scale fluid structures which are produced by the control process, but may also be inherent in the original uncontrolled situation. The numerical scheme is predicated upon an implicit time-marching algorithm, and utilizes a high-order compact finite-difference approximation to represent spatial derivatives. Robustness of the scheme is maintained by employing a low-pass Pade-type nondispersive spatial filter, which also accounts for the fine-scale turbulent dissipation that otherwise is traditionally provided by an explicitly added subgrid-scale (SGS) stress model. Geometrically complex applications are accommodated by an overset grid technique, where spatial accuracy is preserved through use of high-order interpolation. Utility of the method is illustrated by specific computational examples, including suppression of acoustic resonance in supersonic cavity flow, leading-edge vortex control of a delta wing, efficiency enhancement of a transitional highly loaded low-pressure turbine blade, and separation control of a wall-mounted hump model. Control techniques represented in these examples are comprised of both steady and pulsed mass injection or removal, as well as plasma-based actuation. For each case, features of the flowfield are elucidated and the solutions are compared to the baseline situation where no control was enforced. Where available, comparisons are also made with experimental data.     

开槽叶片对大转角扩压叶栅性能的影响

采用从压力面向吸力面开槽的局部流动控制方法,设计了一种收敛转折型的槽道结构.实验对不同冲角下开槽叶栅的进、出口流场进行了测量,利用实验结果对数值模拟结果进行了校核,通过数值计算进一步得到了详细的叶栅通道内流场情况,并进行了结构静力分析.结果表明:在4°进气攻角下,开槽后叶栅尾迹区宽度减小了16.7%,总压损失系数峰值减小了6.07%;在6°进气攻角下,总压损失系数峰值减小了14.7%.叶片开槽从压力面吸入的气流可有效加速吸力面附面层流动,抑制吸力面分离,从而降低总压损失,增大静压比,扩大稳定工作范围.槽道前壁面的转折处存在应力集中,需要进行改进.