压气机叶栅叶片表面附面层流态变化影响因素探讨

以平面叶栅中的二元叶栅模型为试验对象,测量了在不同来流条件下叶片表面流场分布情况及栅后气流参数,分析了不同来流条件下叶片表面附面层流动状态的变化。并借助数值模拟手段重点研究了在不同来流马赫数和冲角下,叶片表面压力梯度对层流附面层向紊流附面层转捩过程的影响,通过利用实验数据分析研究来流条件对转捩过程的影响,为从机理上更深刻地认识叶片表面粘性附面层转捩机制提供了科学参考依据。     

自由流紊流度对串列叶栅性能的影响

通过实验，测量了自由流紊流度（Ｔｕ）在１．４％－６．７％范围内，一双圆弧串列叶栅总压损失系数、气流转角、附面层内速度分布以及吸力面压力系数。结果表明：（１）当Ｔｕ小于大约３％时，随着Ｔｕ增加，总压损失明显降低；当Ｔｕ大于３％时，Ｔｕ变化对总压损失几乎无影响。（２）Ｔｕ在１．４％－６．７％范围内变化对气流转角无影响。（３）Ｔｕ增加，对前排叶片吸力面靠近前缘部分附面层有有利影响。     

来流条件对叶片表面附面层转捩影响的数值模拟研究

通过对二维压气机叶栅叶片表面附面层流态的数值模拟分析,研究了在不同来流马赫数和冲角下,叶片表面层流附面层向紊流附面层的转捩过程,转捩区域的大小等。归纳分析了部分来流条件对转捩过程的影响机制。结果表明:来流马赫数和冲角对转捩起始点和结束点的位置,即转捩所占区域的大小有重要影响。研究工作取得的进展不仅为进一步从机理上深刻认识来流条件对叶片表面附面层流态的影响机理提供了一定的科学依据,而且对今后指导叶片表面附面层流态模似实验工作的开展具有重要参考价值。      

“蚌式”进气道附面层扫除特性风洞试验

以某低、高速风洞为平台,设计搭建了“蚌式”进气道附面层扫除特性测量试验系统,进行了不同流量系数和来流马赫数下进气道鼓包表面附面层扫除特性的风洞试验,通过对试验数据的整理、计算和对比分析同型号的飞行试验结果,研究了“蚌式”进气道鼓包表面附面层扫除特性。研究结果表明:在相同的来流马赫数下,随着流量系数的增大,鼓包表面附面层的扫除能力逐渐减弱;在亚声速工况的绝大多数流量范围内,鼓包表面压力系数沿鼓包中心线对称分布、压力梯度变化明显,且在不同截面沿主流方向具有增大的特征,鼓包构型对附面层扫除效果较强;超声速工况下具有明显附面层扫除能力的流量范围明显小于亚声速工况,进气道唇口形成的弓形激波是影响鼓包表面不同位置压力梯度变化的主要因素,进而决定着附面层扫除特性。在接近来流马赫数18及以上飞行工况下,附面层的扫除能力减弱,附面层分离加强,进而会造成较大的进气压力损失和畸变。     

中介机匣附面层数值计算与试验分析

对位于低压风扇出口和高压压气机进口间的中介机匣壁面附面层的分布作了数值计算和试验研究。采用反积分和差分方法分别求解有分离的紊流附面层和层流附面层方程，对层流分离到紊流再附着，层流到紊流的转捩及紊流分离进行了判别，并测量了不同进口马赫数条件下的中介机匣壁面的静压和附面层厚度的分布，对比情况说明，计算结果和试验数据基本吻合。     

来流条件对叶片表面附面层转捩 影响的数值模拟研究

通过对二维压气机叶栅叶片表面附面层流态的数值模拟分析,研究了在不同来流马赫数和冲角下,叶片表面层流附面层向紊流附面层的转捩过程,转捩区域的大小等。归纳分析了部分来流条件对转捩过程的影响机制。结果表明来流马赫数和冲角对转捩起始点和结束点的位置,即转捩所占区域的大小有重要影响。研究工作取得的进展不仅为进一步从机理上深刻认识来流条件对叶片表面附面层流态的影响机理提供了一定的科学依据,而且对今后指导叶片表面附面层流态模似实验工作的开展具有重要参考价值。     

有弦向出流的短扰流柱排流动与换热数值计算

为了得到有弦向出流的通道内扰流柱排的流动换热的规律，对有弦向出流的扰流柱排的端壁换热和压力损失进行了数值计算，重点研究了出流比对端壁换热和压力损失的影响。结果表明：(1)随着弦向出流比增加，端壁平均№数逐渐下降，在所研究的Re数范围内，出流比从0变化到1，Nu数最大下降6％。(2)压力损失系数随着Re数的增加而减小，随着弦向出流比的增加而减小。在所研究的Re数范围内，出流比从0变化到0.75，压力损失系数下降70％～85％。计算结果对涡轮叶片内部冷却计算具有重要的参考价值。     

收缩通道内水滴形扰流柱群的换热和压力损失特性

对装有三种不同截面的水滴形扰流柱叉排阵列的收缩通道内的流动和换热进行了三维数值模拟,获得了收缩通道扰流柱排内旋涡强度分布的基本特征,并根据流场分析了扰流柱形状对柱群压力损失性能和换热性能的影响,并与具有相同流动空间的矩形通道内的流动换热特性进行了比较.计算结果表明:在所研究的Re数变化范围内,收缩通道的端壁Nu_avr要高于矩形通道的,随着Re的升高,二者之间的差距有变大的趋势;收缩通道和矩形通道的压力损失系数差别很大,相同Re数下,收缩通道的压力损失系数约是矩形通道的34.5倍.      

基于表面热膜的超高负荷低压涡轮叶栅附面层特性研究

本文利用表面热膜测量了定常来流条件下某超高负荷后加载叶型吸力面附面层的分离流动,并与壁面静压实验结果进行了对比。结果表明,热膜用于超高负荷低压涡轮叶型附面层流动测量可靠性较高;热膜测得的准壁面剪切应力及相关统计参数能准确地判断附面层分离、再附着和转捩位置;在低Re数条件下,分离泡尺寸和转捩区长度随来流Re数的减小而增加。     

尾流型进口速度分布对亚音扩压器性能的影响

试验用的二元亚音速扩压器的dMa/dx=常数,进口展弦比为1.33,在进口截面前180mm的等直段中心线处,横放一根垂直于流动方向并平行于扩压壁的杆(有四种截面),造成尾流型的不均匀进口速度分布,增加了核心流的紊流度,以便研究某对扩压器内流动和性能的影响。所用的试验设备和模型与文献[1]相同。此外,还用美国TSI风速仪接单热丝探头测进口截面速度紊流度分布和用小型高频响动态压力传感器(XCQ-080-25)测量进口和出口截面总压紊流度分布。      

射流襟翼-低压涡轮叶栅主动流动控制数值研究

针对PAK-B低压涡轮叶型,基于耦合了Langtry-Menter转捩模型的Menter's SSTk-ω两方程模型,数值研究了不同流动状态下射流襟翼的流动控制机理.计算结果表明,射流襟翼能够有效控制PAK-B叶型失速流动状态下的损失,当射流流量百分数为2%,能量损失系数较无射流襟翼控制状态时下降40%;同时,气流转折角增大5%;影响并使主流进口质量流量减小10%,对于叶型未失速流动,控制不一定有效.结果还表明,射流襟翼能够推迟相邻叶型吸力面边界层转捩,从而延迟分离流动再附.      

几何尺寸对高超声速进气道气动性能的影响

为了探索模型缩尺比对高超声速进气道气动性能的影响,对不同缩尺比的二元高超声速进气道开展了数值模拟研究,结果表明：随着缩尺比的增大,进气道流量系数、隔离段出口总压恢复系数和马赫数均逐渐增大,而静压比逐渐减小,且来流马赫数越高,上述参数变化幅度越大。由理论与数值模拟分析可知,上述现象主要是由于不同缩尺比下,进气道当地雷诺数不同,导致进气道附面层相对厚度变化,进而影响进气道气动性能。理论分析了进气道总压恢复系数与缩尺比的定量关系,就进气道而言,进气道进口处附面层相对厚度减小1%,隔离段出口总压恢复系数提高约0.7%。     

高超声速咽式进气道起动特性研究

为了研究高超声速咽式进气道在非设计迎角以及低马赫数下的起动性能,利用流线追踪生成了设计马赫数Ma=7,具有8-7无粘基本流场（即俯仰平面内的斜激波由和自由来流呈8°夹角的斜压缩面产生;偏航平面内的斜激波由和自由来流呈7°夹角的斜压缩面产生）的咽式进气道,并对边界层修正前后的两种咽式进气道进行了数值模拟和高超声速风洞实验。实验观测和记录了各个来流条件下进气道模型唇口的激波系结构,测量了沿进气道模型上下壁面中心线从气流进口到出口的沿程静压分布。结果表明：迎角的增大和来流马赫数的减小都会对进气道的起动性能造成不利的影响,通过对咽式进气道进行边界层修正,可以提高进气道的总压恢复系数,减小内收缩比,从而扩宽进气道起动的马赫数以及迎角范围,对进气道设计有着积极的作用。     

低雷诺数亚声速扩压平面叶栅试验

采用试验方法研究了某亚声速扩压叶型叶片表面和尾迹区气流在低雷诺数条件下的流动特点,获得了叶型损失系数在不同雷诺数情况下的变化规律.试验结果表明:随着低雷诺数降低,叶片表面马赫数分布以及叶栅尾迹区流动均发生剧烈的变化,叶型损失系数也急剧增大;叶型性能变化的转折雷诺数随进口马赫数增大而增大;低雷诺数下叶片吸力面的流动分离是引起叶栅尾迹特性改变和损失系数迅速增大的主要原因.      

尾缘厚度对低压涡轮气动性能影响的数值模拟

采用数值模拟的方法研究了尾缘厚度对Pak-B低压涡轮气动性能的影响.目的是通过增加尾缘厚度来控制边界层分离,降低损失,揭示增加尾缘厚度的流动控制机理.研究发现:适当增加尾缘厚度能减小低压涡轮损失,增大折转角.在雷诺数为25000,来流湍流度为1%时,适当增加尾缘厚度能使基于进口速度的能量损失系数降低10.4%,折转角增加1.73%.适当增加尾缘厚度和栅距同样可以使基于进口速度的能量损失系数减小,折转角增大.在雷诺数为25000,来流湍流度为1%时,尾缘厚度增加到4%s,栅距增加了2.2%,可以使基于进口速度的能量损失系数减小7.4%,折转角增加1.25%.通过增加尾缘厚度可以发展低稠度高负荷低压涡轮叶栅.      

高超弯曲激波二维进气道初步研究

研究了一种压升规律的曲面压缩面,设计了高超弯曲激波二维进气道,并用数值模拟手段对该进气道和同等条件下的常规高超二维三楔进气道、楔+等熵进气道的性能进行了比较.数值模拟表明:通过给定合理压缩面压升规律来设计压缩面并改善压缩面附面层稳定性是可行的,弯曲激波二维进气道的长度比同等条件下的常规二维三楔、楔+等熵进气道分别缩短12%和10%,并且对来流 Ma 变化不敏感,综合性能优势明显、应用前景大.      

类X-47狭缝式进气道的流动特征与工作性能

对一种背部安装的狭缝式进气道进行了设计和仿真研究,获得了该类进气道的流动特征和工作特性。结果表明,由于存在剧烈的通道弯曲和宽度收缩,进气道的内部流动较为恶劣,边界层气流在通道的上方和下方两侧堆积,并在扩压器后段的上部出现了分离。当自由流马赫数为0.70、迎角为0°时,进气道出口截面的总压恢复系数为0.975,总压畸变指数则达0.484。另外,进气道前方的大鼓包未能起到有效排除前体边界层气流的效果,而正迎角下前体侧棱产生的前缘涡则能将前体边界层扫向机体的两侧,有效减少了进入内通道的低能气流,对出口截面下方两侧的低总压区起着抑制作用。本文的工作还为狭缝式进气道的改进设计提供了依据。     

涡轮叶片型面换热系数计算

本文用数值方法计算了无气膜冷却涡轮叶片上包括前驻点的整个型面上的换热系数。驻点区采用相似方程计算, 并用圆柱绕流近似表示驻点附近流场。较成功地模拟了边界层转捩和过渡区的换热情况。计算中考虑了来流湍流度的影响。      

类X-47狭缝式进气道的流动特征与工作性能

对一种背部安装的狭缝式进气道进行了设计和仿真研究,获得了该类进气道的流动特征和工作特性.结果表明,由于存在剧烈的通道弯曲和宽度收缩,进气道的内部流动较为恶劣,边界层气流在通道的上方和下方两侧堆积,并在扩压器后段的上部出现了分离.当自由流马赫数为0.70、迎角为0.时,进气道出口截面的总压恢复系数为0.975,总压畸变指数则达0.484.另外,进气道前方的大鼓包未能起到有效排除前体边界层气流的效果,而正迎角下前体侧棱产生的前缘涡则能将前体边界层扫向机体的两侧,有效减少了进入内通道的低能气流,对出口截面下方两侧的低总压区起着抑制作用.本文的工作还为狭缝式进气道的改进设计提供了依据.