基于抽吸的亚声速平面叶栅风洞流场品质控制研究

提升平面叶栅风洞流场品质对于获取高质量、低不确定性的试验结果尤为重要。基于对原始叶栅风洞的测量结果,本文采用数值模拟方法进一步分析了来流攻角对叶栅流场品质的影响机理,并在试验段上侧壁不同位置处设置了两种抽吸方案,研究了抽吸槽位置以及抽吸流量对平面叶栅风洞流场品质的控制效果。研究结果表明：叶栅风洞固有结构对流场品质的影响随来流攻角的增大而增大,使叶栅进口的准确性和均匀性以及出口的周期性下降,可用测量范围缩小;抽吸能够减弱靠近上侧壁的三个通道的堵塞程度,从而扩宽进口均匀性及出口周期性的范围,使进口马赫数偏差小于0.01,进气角偏差小于0.5°;在可移动上侧壁和叶栅首叶片之间进行抽吸对叶栅进口均匀性提升较大,但对出口周期性提升很小;在叶栅首叶片吸力面中后部进行抽吸能够同时提升进口均匀性和出口周期性;在可移动上侧壁和叶栅首叶片之间开抽吸槽比在叶栅首叶片吸力面开设抽吸槽具有更好的工程应用性,但临界抽吸流量增加了两倍。     

不同条件下平面叶栅风洞流场品质的实验研究

为了全面认识亚声速平面叶栅风洞的流场品质及其影响因素,以西工大高亚声速平面叶栅风洞为研究对象,实验测量并分析了空风洞的来流品质以及安装叶栅实验件后来流马赫数、来流攻角、叶片数对叶栅流场准确性、均匀性以及周期性的影响。研究结果表明：空风洞内主流区域宽广且基本均匀,马赫数偏差不超过0.005,气流角偏差不超过；加装叶栅实验件后的周向流场分布表现出不对称,靠近可移动上侧壁的三个通道的来流均匀性和准确性普遍较差,叶栅中间和偏向可移动下侧壁的通道来流均匀性和准确性较好；来流攻角对叶栅进口流场品质的影响比马赫数更大,在负攻角和较小的正攻角下,叶栅进口流场品质较好；在较大的正攻角下,叶栅来流均匀性和准确性明显下降；叶栅进口流场品质直接影响着叶栅通道内以及出口流场的周期性。     

开式风洞超声速压气机流场起动的数值研究

在开式风洞超声速平面叶栅试验中,从试验启动到叶栅建立超声速流动状态的过程,即超声速流场起动问题,已成为公认的难题。为建立可行的开式风洞超声速流场起动方法,奠定开式超声速风洞的使用基础,基于某超声速风洞,以超声速压气机平面叶栅为研究对象,开展三维数值仿真研究;分析试验条件下超声速流场起动失败的原因,制定三种流场起动方案。结果表明：起动失败的原因为叶栅前缘形成了一道强正激波;仅提高风洞进口总压无法建立叶栅超声速流动状态;仅增大下壁溢流缝宽度可起动超声速叶栅流场,但有效叶栅流道数量减少,壁面附面层增厚;保持上、下壁溢流缝宽度在1 倍栅距以上,在栅前上、下壁设置超声速墙并进行抽吸,可有效起动超声速流场,相邻流道出口马赫数最大波动0.01,出口气流角最大波动0.09°,周期性可满足试验需求。     

跨声速叶栅抽吸流、激波以及分离流相干效应

以某高负荷、跨声速压气机叶栅为研究对象,应用数值模拟手段探讨通过抽吸控制激波从而控制附面层发展的可行方法。研究结果表明：随着抽吸量的增加吸力面马赫数峰值提高,激波损失增加,同时使得吸力面马赫数峰值点位置后移,附面层分离减弱,分离的减弱所导致的总压恢复系数增加量要远大于激波强度增加所导致的总压恢复系数减小量;抽吸对叶栅性能改善存在一个最佳抽吸量1.2%;在保证叶栅静压压升不变的前提下,相对于未抽吸条件1.2%抽吸使得叶栅总压恢复系数提高10%,扩散因子降低18%,落后角减小5°;通道激波后实施附面层小流量抽吸不能有效改善附面层内部流动参数,当实现前缘入射斜激波投射点位于通道激波上游时,叶表附面层流动得到较大改善。     

跨声速压气机动叶平面叶栅实验

对某跨声速压气机动叶根部叶型平面叶栅流场在不同冲角和进口等熵马赫数下进行了详细的测量,得到了冲角特性曲线和叶片表面及端壁静压.结果表明:负冲角及零冲角时,叶栅出口总压损失系数随进口等熵马赫数增加变化不大,而在正冲角时变化较大.相同进口等熵马赫数下,负冲角和零冲角时,叶片负荷较高;正冲角时,由于气流分离严重,叶片负荷下降,叶栅出口总压损失系数升高.随冲角由负冲角向正冲角增加,气流落后角逐渐增大,叶栅出口总压损失系数先减小后增大,最小值为0.034.冲角相同时,随进口等熵马赫数增加,叶栅出口总压损失系数总体呈增加趋势.      

变工况下非轴对称端壁环形叶栅流场特性实验

通过风洞实验对三角函数非轴对称端壁造型法和压差非轴对称端壁造型法设计的环形叶栅在设计工况和非设计工况下的流场参数进行了测量与分析.结果表明:不同进出口条件时,非轴对称端壁造型对于流场参数影响呈现出一些新特点.由于压力面与吸力面上压力改变的幅度大小会因为来流条件的变化而不同,当地总压损失系数会随着出口马赫数的降低而减小,二次流速度矢量分布规律不会随着出口马赫数的变化而不同,但二次流速度大小及通道涡系强度会随着出口马赫数的降低而减小.      

冷气掺混对高压涡轮气动性能影响的数值研究

采用数值方法研究了冷气掺混对高压涡轮气动性能和叶栅通道内部二次流动结构的影响，计算结果表明:冷气流量增加，冷却高压涡轮导叶和转子型面总载荷降低，导叶进、出口马赫数均减小，转子出口相对马赫数在径向0~0.55区域增大而在径向0.55~1.0区域减小.导叶进、出口气流角受冷气流量的变化影响较小.冷气流量由压气机进口流量的4.83%增加至14.49%，转子进口相对气流角在径向0.05~0.95区域增大而出口相对气流角在径向0.6~1.0区域减小，导叶绝热壁面冷却效率先升高后降低而转子绝热壁面冷却效率提高了19.33%.轮毂和机匣封严气呈束状进入转子叶栅通道且腔内封严气流动受旋转轮盘抽吸效应影响较大.      

探针支杆尾迹特性对压气机叶栅性能的影响

以圆柱状方向探针为研究对象开展了探针支杆尾部椭圆状修型,采用数值模拟与试验研究相结合的方法分析了探针支杆尾迹特性对压气机叶栅性能的影响。结果表明:探针支杆扰流会增大下游叶栅总压损失和对应叶片的尾迹损失;相比于其他安装位置,支杆安装在叶片通道中部时对下游叶栅气动性能的影响较小。当进口马赫数为0.50时,支杆尾部椭圆状修型可以延缓支杆表面附面层气流分离以大幅降低尾迹强度,从而减小尾迹对下游叶栅流场的干扰;当进口马赫数为0.87时,由于支杆表面出现激波与附面层干涉,使得附面层发生分离,此时进行支杆尾部椭圆状修型不能有效降低支杆尾迹强度,无法减小支杆尾迹对下游叶栅流场的干扰。     

跨声速叶栅叶表附面层抽吸效应试验

以某跨声速、吸附式叶栅为研究对象,在暂冲式叶栅风洞上对其进行了多个状态的吹风试验,对比分析了在通道存在激波条件下,激波前、后抽吸对叶栅性能以及附面层的影响效应.研究结果表明:激波前抽吸使得抽吸缝局部马赫数增大,恶化叶栅性能;激波前抽吸对于来流高亚声和超声速的叶栅损失系数影响趋势一致,随着抽吸系数增加损失系数增加,并且当抽吸系数大于0.2%时,损失系数增加较快;波后抽吸可明显改善叶栅性能,抽吸量越大,抽吸正效应越明显,相比于未抽吸条件,抽吸系数为0.8%时损失系数降低8%、总压恢复系数提高5%.      

附面层抽吸技术在跨声速平面叶栅试验中的应用探索

基于常规跨声速扩压叶栅吹风试验结果确定合理抽吸位置,并在此基础上对该叶栅进行多种工况的附面层抽吸试验,分析附面层抽吸作用下叶片表面马赫数、出口尾迹与总压损失系数的变化。结果表明:开设抽吸缝对常规跨声速叶栅原有流场结构的总体影响较小,但当抽吸缝位于马赫数峰值位置时,会对下游流动产生一定扰动。在适当位置抽吸能抑制跨声速叶栅表面流动分离,且只有抽吸量达到一定数值后,附面层抽吸作用才会对叶栅气动性能起到明显正效果。当抽吸量达到0.87%时,该跨声速叶栅总压损失系数降低了7.8%。     

马赫数2～4连续可调风洞数值模拟及静态标定试验

型面旋转连续可调风洞可以获得出口马赫数连续变化的出口流场,其结构简单、易于调节、响应迅速,成为目前国内外的研究热点,具有很好的发展前景。本文针对某优化设计的出口马赫数2~4的变马赫数风洞喷管,进行了全流场三维数值仿真校核,并进行了风洞流场静态标定试验,获得了该连续可调风洞在不同马赫数下的流场品质及流场均匀区大小。结果显示:该连续可调风洞在马赫数2~4下的出口流场均匀性良好,流场品质满足固定几何风洞流场的国军标要求;试验得到的不同马赫数工况下均匀区大小均大于理想菱形区的2/3,均匀区马赫数标准差在马赫数2~3工况下小于0.01,在马赫数3.5工况下为0.013 6,说明该连续可调风洞可以实现马赫数的连续变化,且具有良好的流场品质,可用于后续的风洞试验。     

高亚声速吸附式叶栅气动特性实验研究

以高亚声速叶栅风洞为实验平台,建立了附面层抽吸系统,针对吸力面开槽的吸附式叶栅进行了系统的平面叶栅吹风试验。定量地分析了附面层抽吸对于叶栅气动特性的影响。试验结果表明,抽吸槽的存在恶化了叶型攻角特性,总压损失系数平均升高了70%。通过附面层抽吸可以明显地减小栅后气流尾迹,改善叶型攻角特性。与原始叶型相比,当各工况抽吸流量处于实验最佳值时,吸附式叶型总压损失系数平均降低了20.5%,叶型扩散因子在来流为设计进口马赫数0.6时平均提高了70.7%。     

槽道射流及端壁抽吸对角区分离的组合控制研究

为优化叶片吸力面流动分离结构,探究对于角区分离更好的流动控制方法,以一大弯角扩压静子叶栅为研究对象,对叶片进行全叶高槽道结构处理,并在其基础上于槽道出口前进行端壁抽吸槽结构处理。在来流马赫数为0.7,来流攻角为-8°～6°工况下,对原型叶栅、全叶高开槽叶栅及组合流动控制叶栅进行性能计算及对比。结果表明：全叶高开槽方案能有效消除叶片吸力面叶中附面层分离,抑制角区分离,减小原型叶栅的总压损失,提高扩压能力。对比全叶高开槽方案,组合流动控制方案能更有效地抑制端壁二次流于槽道出口前在吸力面上的发展,进一步消除角区分离,优化近端壁区流场。因此,端壁抽吸加全叶高槽道射流的组合流动控制方案对于宽来流攻角范围具有更强的适应性,从而更有效地减小原型叶栅的总压损失,拓宽其可用攻角范围,提高叶栅的扩压能力。     

高负荷吸附式压气机叶栅数值与实验研究

针对无通道激波单纯由强逆压梯度诱导的附面层分离进行了吸附式数值与实验研究.研究对象为某大转折角高负荷吸附式压气机叶栅,利用准三维叶栅通道计算程序（MISES）进行抽吸流场数值模拟,在确定抽吸位置后进行了风洞实验验证.结果表明:抽吸后总压损失系数大幅度降低,对于单纯由强逆压梯度诱导的附面层分离,最佳抽吸位置应该位于附面层分离之后尚未充分发展之处;在确定抽吸位置时可以根据设计状态的分离状况进行;实际中需要的抽吸流量小于计算值;在数值计算中,具体的抽吸模型还有待进一步改进和修正,以使数值模拟更加准确.      

端壁采用孔式抽吸对扩压叶栅气动性能的影响

为明晰孔式附面层抽吸技术对压气机叶栅气动性能的作用效果,实验研究了在端壁不同位置设置抽吸孔时对大折转角扩压叶栅壁面流谱、出口二次流及损失的影响。研究结果表明,端壁抽吸改变了原型叶栅内部流场结构,角区分离起始点前进行附面层吸除可有效延缓通道涡的形成,降低叶栅损失;分离起始点之后角区分离已经充分发展的位置不宜布置抽吸孔;相比较抽吸槽,采用抽吸孔可以通过更少的抽吸量达到相同程度地对叶栅流动性能的改善。      

组合抽吸对大转角扩压叶栅性能的影响

实验研究了低速条件下在端壁和吸力面同时进行附面层吸除对某大转角扩压叶栅性能的影响.在叶片表面及端壁进行了墨迹流动显示,并对叶栅出口截面进行了测量.基于实验的抽吸槽布置方式:端壁吸气主要影响区域是吸力面角区;吸力面抽吸可以减小角区范围,延迟叶片吸力面附面层转捩,改善中径处流场;组合抽吸则优化了叶栅整体流场,使流动更加均一高效,由于削弱了端壁和吸力面附面层间的相互作用,组合抽吸在大吸气量下优于前两种吸气方式.      

高压离心压气机导叶流场的附面层抽吸控制研究

通过数值模拟研究了某小型涡扇发动机离心压气机的出口导叶流场特点,结合拓扑分析方法讨论了附面层抽吸对叶栅性能的影响。结果表明:原型叶栅由于展弦比较小,流动空间狭窄,各种形式的附面层分离相互掺混,恶化了整个叶栅的流动。通过附面层抽吸可以改变叶栅内的分离结构,明显减小吸力面的分离,使得流场结构趋于简单,从而减小损失、提高叶栅效率。     

侧壁附面层对涡轮平面叶栅试验结果的影响

用VKI- 1叶型组成的涡轮平面叶栅分别在德国哥廷根的EGG平面叶栅风洞和我所的超、跨声速平面叶栅风洞上进行了试验研究。录取了叶片表面压力分布、叶栅尾迹测量数据等。此外用皮托管测量了叶栅进口的总压分布及附面层厚度。作者阐述了侧壁附面层特别是附面层的位移厚度对涡轮平面叶栅流场的影响 ,并给出了相应的修正系数。这两个风洞的试验结果与其它欧洲叶栅风洞的试验结果作了比较。     

附面层抽吸对叶栅角区分离流动的控制研究

为研究附面层抽吸对叶栅角区分离流动的控制效果和机理,以高负荷轴流压气机叶栅为研究对象,基于数值方法深入分析了不同抽吸方案对叶栅角区流场的影响以及叶栅攻角特性随抽吸流量组合的变化规律。结果表明:不同抽吸方案对叶片通道中的分离流动的控制机理不同,进而会影响叶片负荷及扩压能力;将吸力面抽吸与端壁附面层抽吸结合起来的组合抽吸方案基本消除了位于叶栅吸力面的附面层分离和角区分离,叶栅叶型损失系数显著降低,在5°攻角下,当吸力面抽吸量为1.88%,端壁抽吸量为0.82%时,损失系数相较于原叶栅降低约63.8%;并且进一步研究发现各抽吸槽的抽吸流量均存在其最佳临界值;在进行组合抽吸时,应针对不同攻角工况,在其相应的临界值范围内选择合理的抽吸流量,以达到用较小的吸气量实现对叶栅分离流动的控制。     

非光滑叶片对叶栅出口流向涡系的影响

在低速平面叶栅风洞中对光滑叶片及非光滑叶片叶栅进行了实验研究,在叶栅出口进行了详细的测量,通过测量结果的对比分析,探讨非光滑叶片对叶栅出口流向涡系的影响。实验结果表明,与光滑叶片相比,非光滑叶片对叶栅出口流向涡系中,通道涡在节距方向上移向叶栅通道中心处,强度几乎不变,尾缘涡发生展向扩展并分裂,强度明显减弱。