大弯角串列叶型优化设计与数值分析

以50°弯角多圆弧单列叶栅和串列叶栅为研究对象,应用数值模拟手段对所设计的两类叶栅进行数值分析,获取了其不同来流马赫数条件下的性能和流动细节。应用NSGAⅡ遗传算法结合BP神经网络技术,对串列叶栅的五个关键几何参数进行优化设计,验证了优化方法的可行性。研究结果表明:在全攻角范围内,串列叶栅的静压比都高于单列叶栅,负攻角范围内,串列叶栅损失低于单列叶栅;经过优化,串列叶栅在大负攻角下的性能略有降低,同时改善了正攻角性能,在4°攻角、0.8马赫数时静压比提升4.3%,总压损失系数降低42%;优化后串列叶栅在全工况范围内性能都要优于单列叶栅,并且串列叶栅最大压比点和最小损失点攻角均向右漂移2°。     

楔形涡流发生器影响高负荷叶栅性能的机理研究

为探究楔形涡流发生器流动控制技术的作用机理,对一低来流马赫数高负荷扩压叶栅开展数值模拟研究。提出在叶片前缘安装涡流发生器的方案,并对比分析了采用涡流发生器前后叶栅性能及通道内二次流结构的改变。研究结果表明,楔形涡流发生器诱导的吸/压力面涡类似于叶片前缘的马蹄涡,卷吸附面层低能流体,提高其抗逆压梯度能力,进而削弱横向流动,抑制角区分离;涡流发生器的强漩涡结构改善了叶栅通道二次流,使得损失重新分布,叶栅-3°到7°攻角范围内的气动性能显著提升,设计点-1°攻角时平均总压损失系数下降8.04%,平均静压系数增大7.75%,5°攻角时平均总压损失系数下降15.87%,平均静压系数增大21.79%。     

叶型探针对压气机叶栅气动性能影响的试验与数值研究

利用平面叶栅风洞,开展了安装叶型探针的压气机叶栅吹风试验.通过测取不同工况下叶片表面压力、栅后尾迹等气动参数,分析了叶栅在安装叶型探针前后的性能变化.同时,采用数值模拟方法,对前缘探头绕流旋涡在叶栅流道内部的发展演变规律及其损失特性进行了探索.研究结果表明:①探针对叶栅局部流场的扰动作用比较明显,其影响特性与叶栅工作状态相互关联;②探针对其所在叶片以及相邻两侧叶片总压损失系数的影响程度随来流攻角发生显著变化;③安装探针后,栅后尾迹与主流掺混作用加强,导致尾迹沿周向存在较为严重的扩散作用;④负攻角条件下,前缘实体探头会诱导叶片出口靠近叶盆表面出现一定强度与尺度的涡系结构.     

不同来流附面层厚度下容腔泄漏流对围带式静叶性能影响

基于验证的数值模拟方法，针对带容腔结构的围带式静叶，研究了容腔泄漏流对其性能的影响以及容腔泄漏流与主流的相互干涉作用。在不同的来流附面层厚度下，探讨了叶栅二次流运动和角区分离发展情况，并通过总压损失系数和熵增系数对性能变化进行评判。结果表明：附面层厚度的增加使无容腔扩压叶栅总压损失系数和熵增损失系数增加。容腔泄漏流使叶片前缘出现容腔泄漏涡，并对通道涡的发展和集中脱落涡的大小产生影响；同时容腔泄漏流加强了叶栅通道内的三维流动效应，削弱了近端壁面流体的横向偏转；随着附面层增厚，带容腔的扩压叶栅的总压损失系数和熵增损失系数变化程度不明显。     

风扇转子叶型侵蚀前缘再造型优化设计

针对前缘侵蚀风扇转子叶型的优化设计问题,以某小型大涵道比涡扇发动机前缘侵蚀风扇转子叶片50%叶展截面叶型 为研究对象,开展侵蚀前缘再造型的多工况、多目标优化设计。选取0°、+4°和+6°攻角作为参考工况,应用层次分析法分别建立各 工况的权重,通过商业软件NUMECA中FINE / Design3D模块开展大半径环形叶栅优化设计。结果表明：前缘优化显著改善了前 缘侵蚀叶型的气动性能,优化后叶型不仅能够恢复60%以上的由于前缘侵蚀导致的总压损失系数增大,而且在+4°攻角下总压损 失比原始叶型的减小了4.3%。此外,前缘优化对叶型吸力面前缘分离泡的产生和生长具有一定的抑制作用,使其附面层厚度保 持较为良好的发展状态,有效地减小了附面层内部的流动损失。     

融合宽度及位置对叶身/端壁融合叶栅性能影响的数值研究

角区分离是制约压气机负荷提升的关键因素,叶身/端壁融合设计(BBEW)可有效组织角区流动,减弱或消除分离。为了研究融合宽度及其弦向位置两个关键设计参数对性能影响,采用经实验校核的数值方法对所设计原型叶栅及9种叶身/端壁融合叶栅进行研究。结果表明:所设计原型叶栅出口下游截面高损失核心区域的展向位置随攻角增大而逐步抬高;叶身/端壁融合叶栅融合位置位于分离点前、后对性能影响孑然不同:融合位置位于分离点前,叶身/端壁融合叶栅效果随来流攻角增加而逐渐显现,在+10°攻角下最佳融合方案可使14%展高处总压损失减小16.2%;但融合位置位于流动分离起始点之后会在全工况内增大损失。融合宽度则存在最佳值,应小于来流附面层厚度。     

不同攻角对涡轮叶栅损失的影响

应用基于压力修正的三维计算流体动力学(CFD)程序,通过改变进口攻角,对不同工况下的涡轮叶栅流场进行了数值模拟.并结合CFD模拟结果,应用较合理的损失分离方法,对比分析了三种常用的变工况涡轮损失预测模型.结果表明:在正攻角情况下,随着攻角的增加,涡轮叶栅总压损失显著增加;在负攻角情况下,随着攻角的增加,涡轮叶栅总压损失则有种先减小后增大的趋势,但变化范围不大.而对于三种变工况涡轮损失预测模型来说,虽能基本上反映出涡轮损失随攻角的变化趋势,但预测结果差别很大.      

吸附式风扇叶栅流场数值模拟

针对某型高性能风扇第2级转子叶片,采用NUMECA商业软件数值模拟的方法,分析了在叶片吸力面距前缘50％和75％弦长处采用吸气技术前后叶栅总压系数、气流转折角和静压升等方面的变化情况.结果表明:在相同攻角相同Ma下,叶栅总压损失随吸气量的增加逐渐降低;叶栅气流转折角随吸气量的增加逐渐交大;叶栅静压升随吸气量的增加逐渐提高;在6°攻角下,在不同Ma下进行吸气,叶栅总压损失都有所降低.     

来流边界层对压气机平面叶栅角区流动的影响

为更准确地预测压气机静叶角区失速以及为角区流场优化提供理论支持,在压气机平面叶栅环境下,利用数值模拟和实验验证方法,研究来流边界层厚度变化对角区流场及角区失速特性的影响。在角区失速前后的典型工况,利用总压损失系数和折转角的展向分布显示不同流场结构引起的性能变化;利用表面极限流线、总压损失云图和Q判据等手段显示角区涡结构特点。结果表明,当来流边界层厚度从1%展长增加到25%展长时,角区失速提前3°攻角发生,叶栅低损失工作范围缩减近30%。而在角区失速发生后,来流边界层厚度变化对角区失速结构没有明显影响,但仍会增强叶栅内其他区域的二次流效应。     

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%。     

非轴对称端壁下高负荷压气机叶栅二次流动分析

探讨了高负荷压气机叶栅中应用非轴对称端壁的有效性.首先利用NUMECA/Design3D优化软件包来完成了对端壁的优化,然后推导并建立了高负荷压气机叶栅出口含全部掺混损失的二次流损失的计算方法,最后在设计攻角和非设计攻角下对轴对称端壁和非轴对称端壁结构的高负荷压气机叶栅内部及出口流场进行了详细的分析.分析结果表明:在设计攻角和非设计攻角下采用非轴对称端壁均能改变端壁附近载荷分布、降低叶片通道的二次流动损失;在设计攻角下使叶栅周向质量平均总压损失减少约为9.4%,在非设计攻角(±3°)下分别减损7.7%和11.8%;当非轴对称端壁幅值为4%叶高时,二次流动损失最小.      

液体火箭发动机反力式涡轮动叶进口攻角的研究

针对高性能分级燃烧（闭式）循环液体火箭发动机用反力式涡轮的特点，对所设计的动叶叶栅S1流面的准三元流气动分析和已有动叶平面叶栅的亚声速风洞试验，研究了反力式涡轮动叶玻负攻角对叶栅内的绕流和能量损失的影响。结果表明：对于给定的来流方向，为得到连续收敛的叶栅几何通道和小的能量损失，动叶应采用正攻角设计，对已有的连续收敛的动叶叶栅，应采用负攻角流入工况，能量损失小。     

基于并行多点采样策略的串列叶栅多目标优化设计及分析

为了改善高负荷串列叶栅的设计质量,基于改进粒子群算法、Kriging模型的改进并行多点采样策略、物理规划方法三个模块,建立了一套多目标优化设计系统,该系统可以快速实现串列叶栅设计攻角和非设计攻角的多目标优化设计。为了减少多目标优化的计算量,该优化设计系统采用了物理规划方法将多目标优化设计问题转化为考虑设计者经验的单目标优化问题,并基于Kriging模型的改进并行多点采样准则实现了在一次迭代过程并行评价多个样本点的并行优化方法。应用该系统实现了一高负荷串列叶栅的多目标优化,优化后的串列叶栅在全攻角下的总压损失系数减小,静压升增加,在进口马赫数0.7的条件下,在攻角分别为-6°和3°时,总压损失分别降低21%和35%,证明了本文设计的多目标优化系统具有很好的实际应用价值。基于优化设计结果,分析了串列叶栅的5个造型参数:弯角比(TR)、弦长比(CR)、后排近似攻角(KBB)、轴向重叠度(AO)和节距比例(PP)对串列叶栅设计攻角和非设计攻角性能的影响,研究发现大的PP (约为0.9)和负的KBB (约为-6°)有助于串列叶栅实现较优的设计攻角性能,减小串列叶栅前排叶型的负荷,可以改善串列叶栅非设计攻角的性能和扩宽叶栅的稳定工作范围。     

涡轮叶片来流角扰动不确定性量化分析

为了高效精确量化来流条件变化对涡轮叶片性能的影响,发展了一种基于自适应抽样技术的非嵌入式多项式混沌(NIPC)模型,并通过函数试验对自适应NIPC模型进行了验证。在不同尺度来流角变化下,用该模型量化涡轮叶栅能量损失系数的不确定性变化,同时与直接蒙特卡洛模拟和灵敏度分析进行对比。通过流场统计分析揭示来流角变化对气动不确定性的影响机理。结果表明:自适应NIPC在不同尺度来流角扰动下均能快速准确量化能量损失系数变化;能量损失系数不确定性变化对来流角扰动是非线性依赖关系;叶片通道内的激波对来流角变化最为敏感,是引起能量损失系数不确定性变化的主要因素。     

低雷诺数效应对某可控扩散叶型性能的影响

为研究雷诺数效应对叶栅流动的影响,对某可控扩散叶型的平面叶栅流动进行数值模拟,计算在叶弦雷诺数分别为1×106,7.7×104,1.6×104,7.2×103和3.4×103条件下的不同攻角的流动情况,研究雷诺数对叶栅总压损失系数和攻角特性的影响。对叶栅性能和流场特性进行了分析,结果表明随着雷诺数的降低,叶栅流动的总压损失系数不断上升,低损失攻角范围逐步减小。      

几何参数对涡轮低压导向器变工况性能的影响

在低速风洞上,对某型弹用涡扇发动机涡轮低压导向器原型和改型进行了变工况条件下的详细流场测量。与原型低压导向器相比,改型低压导向器多种几何参数发生了改变,主要包括采用优化的子午型线、正弯叶片、后部加载叶型以及前缘负冲角设计等,因此二者的冲角特性有较大差异。实验分别对两种导向器叶栅测量了3种工况条件,分别为正冲角工况、设计工况和负冲角工况,并对结果进行了对比分析。实验结果显示:改型不仅在设计工况下能量损失较小,而且具有较好的攻角适应性,表现为在所测工况范围内叶栅出口总压损失随工况的变化幅度很小,而原型出口损失则对冲角敏感,损失变化幅度相对较大。      

前缘复合改型在压气机平面叶栅中的应用初探

为了探究同时应用不同前缘改型对压气机叶栅的影响,以DMU37动叶5%叶高处叶型的平面叶栅为原型,采用数值计算方法,探究4种椭圆形前缘改型及4种椭圆鼓包复合改型对叶栅流场及性能的影响,考虑的主要影响参数分别为椭圆长短轴比和鼓包波幅。结果表明:-6°～+4°冲角时,椭圆形前缘方案可不同程度地降低前缘吸力峰及总压损失系数,特别在正冲角条件时改善效果更好;长短轴之比为4的椭圆形前缘方案综合性能最好,主流区吸力峰高度降低56.3%,+4°冲角时,总压损失系数和可比原型叶栅降低5.8%;0°冲角下,椭圆鼓包复合改型的损失相比原型叶栅均有所增大;+4°冲角时,各椭圆鼓包复合改型方案均能有效降低损失,总压损失系数最多可比原型叶栅降低7.5%,表明椭圆鼓包复合改型在+4°冲角时可以提高叶栅气动性能。     

轴向超声速通流串列构型弦长比对气动性能影响的数值研究

为避免高马赫数、大攻角来流引发的叶片颤振,将串列叶片技术引入到超声速通流风扇叶栅中,对其进行串列改型及气动性能研究。利用准二维数值模拟,对串列叶片前、后排叶片的弦长比参数进行了详细的对比研究。结果表明：影响气动性能的关键因素是后排叶片进口压力侧激波的落点,在本文研究条件下,随着弦长比的减小总压损失呈减小的趋势,当弦长比由0.99减小到0.43时,设计攻角下,15°折转角叶型总压损失可减小27%,30°折转角叶型总压损失可减小38%。进一步的研究表明,通过减小弦长比可有效控制后排叶片前缘斜激波在相邻叶片吸力侧的落点以实现损失降低,并且这种降低效应在小弯角叶型上比大弯角叶型更容易实现。     

针对轴流压气机的非轴对称端壁造型优化设计

针对某轴流压气机构建了一种新的非轴对称端壁造型,该造型可通过抑制角区分离来达到减小通道内二次流损失的目的。首先,在设计工况下,针对基准叶栅建立非轴对称端壁的自动优化设计方法。然后,在设计和非设计工况下,用NUMECA/Fine turbo模块分别对基准叶栅和优化叶栅进行定常流场计算。结果表明,两种工况下,优化叶栅有效抑制了角区分离,原因为非轴对称端壁造型改变了通道内的涡系结构;优化叶栅出口截面总压损失系数显著降低,叶栅出口气流角更加均匀和平衡。     

端壁抽吸控制下攻角对压气机叶栅叶尖泄漏流动的影响

为减少叶尖泄漏损失并改善由泄漏涡造成的叶尖流道堵塞,对端壁流向开槽抽吸方案对扩压叶栅叶尖泄漏流动的控制效果进行了数值模拟研究,重点分析了来流攻角对流动控制效果的影响。结果表明:端壁抽吸方案通过直接影响叶尖泄漏流的发展,减弱泄漏涡强度,减小了泄漏损失;抽吸对负攻角和小攻角下叶栅流场的影响范围仅局限于叶尖区域。但在大的正攻角下,抽吸使得低叶展区域的附面层分离提前,且叶背分离涡脱落位置升高至约70%叶高处,端壁抽吸对叶栅的整体影响由泄漏损失降低和分离损失增大综合决定。抽吸量为07%时,抽吸后叶栅总体总压损失系数分别在-8°、0°和+4°攻角下降低约90%、108%和68%,而在+8°攻角下增大约57%。