关于轴流压气机的非定常两代流型

针对作者提出的轴流压气机非定常两代流型——非定常自然流型(UNFT)和非定常耦合流型(UCFT)——概念,本文进行了数值模拟和试验两个方面的验证。从数值模拟结果来看,实现非定常耦合流型后,对应非定常流场的时空结构将由无序状态向有序状态转化,流场的时均性能也能得到较大提高。环形叶栅声激励和PIV测量的实验结果亦证实了这一结论。     

环形叶栅分离旋涡频谱特性研究

施加非定常气流脉动激励将大幅度减少叶栅分离损失。而激励的效果与本身的气流脉动脉动频率以及强度等因素有关。为了考察非定常气流脉动激励对叶栅气流分离的作用，以及激励作用效果最佳时激励脉动频率与叶栅分离旋涡脱落频率之间的关系，进行了叶栅分离旋涡脱落频率的测量。实验在环形叶栅实验台上进行，利用IFA300热线风速仪等测试仪器进行实验，分析了不同实验条件下环形扩压叶栅后流动脉动的分布情况。结果表明，在不同迎角以及不同测量位置处(叶中和端壁压)，所测环形扩压叶栅后的流动分离均存在某一特征频率。此外对导流叶栅后和环形扩压叶栅后的流动情况的对比说明了在叶轮机械非定常流中流动分离频率的锁定(lock on)现象^[1]。     

环形叶栅内利用非定常激励减少分离区损失的研究

阐述了在环形扩压叶栅内利用非定常激励减少分离区损失的实验研究成果。在测得各个工况下环形叶栅的分离旋涡频谱特性的基础上，采用施加声激励的实验手段，系统研究了扩压环形叶栅内流动与非定常扰动之间相互作用的机理，证实了一定条件下的非定常扰动能促使叶栅分离区的减小，从而降低总压损失，达到提高气动性能的目的。分别从激励频率和强度的角度出发，探索了影响激励效果的途径。     

尾流撞击效应的一些探讨

通过采用外部声激励的方式,在低速轴流压气机内研究非定常尾流撞击效应对压气机流场结构以及时均气动性能的影响。主要包括:低速轴流压气机实验台的流场调试;流场的稳态、动态测量;实验数据的处理和分析。实验结果表明:当发生尾流撞击耦合效应时,压气机内部流动的时空结构以及时均气动性能均得到较大提高。      

环形扩压叶栅流动非定常控制方法的PIV研究

利用合成射流发生器对于一台环形扩压叶栅进行了流动主动控制的探索,发现适当的非定常激励方式可以使得环形叶栅的总压损失明显减小。同时利用二维粒子图像测速仪(ParticleImageVelocimetry,简称PIV)测量了扩压叶片绕流流场。获得了不同攻角下,在不同的激励频率和激励强度下,流场结构的变化。结果表明非定常激励可以使叶片绕流流场结构发生明显变化。在合适的非定常激励下,扩压叶片的叶背分离流动得到明显抑制,尾迹漩涡的强度和尾迹宽度均明显减小,流线分布比无非定常激励时更加平滑。实验结果能够与环形叶栅时均总压损失的变化相吻合。对于这一非定常控制方法的作用机理也进行了初步的分析。      

处理轮毂转速的实验研究

在低速环形叶栅实验台上圆弧斜槽处理轮毂相对静子扩压叶栅环的旋转频率对叶栅端壁区流动进行了影响实验探索。结果表明：轮毂处理能够消除叶栅端壁区的低速团,减小流动堵塞,叶栅流通能力最大提高了26．2％。轮毂处理消除端壁分离的能力与处理轮毂的旋转方向和相对转速密切相关。随着处理轮毂转速的增加,叶栅流通能力增加,并且存在局部非线性较强的转速范围。因此,轮毂处理的设计还应该考虑叶排与处理槽相对运动带来的流动非定常性。     

亚声速扩压平面叶栅尾迹动态压力场测量与分析

为研究叶片在不同攻角下引起的气流分离对叶栅出口气流紊流度的影响,借助动态压力测量设备和测试技术,完成了某扩压平面叶栅在进口马赫数为0.677,攻角分别为0°、-10°和+8°三种典型工况下,尾迹非定常流动的测量。通过测量尾迹区域沿栅距方向和轴向的尾迹动态压力,并对动态压力数据进行时域分析,得到叶栅尾迹非定常流动的时均总压和压力脉动云图,揭示出尾迹区流动过程,同时还与叶栅的气动性能和气流稳定性进行了关联。     

静止环形扩压叶栅激励下的耦合流动分析

针对某静止环形叶栅的激励实验工作,相应的对扩压叶栅进行了不同气流攻角和激励频率的非定常粘性计算与流场分析。计算中,结合实验结果分析了在不同气流攻角下,激励频率对损失系数、负荷系数、功损比等性能的影响。计算结果揭示了在激励流动下流场的时空结构的变化是流场性能得到提升的根本原因。      

非对称激励对叶栅流场时空结构及特性的影响

基于非定常耦合流动的研究采用导叶非对称周向分布时,可以通过非对称尾流撞击效应实现比对称周向分布更好的气动性能.为了探索非对称激励下的非定常耦合流动特点,首先以单个槽道的时间非均匀射流激励形成的间歇耦合流动研究为基础,分析了时间非均匀激励对二维叶栅流场时空结构的影响.然后通过对采用非对称导叶的某低速轴流压气机的叶中截面二维流场进行1/4周的数值模拟,分析了周向非均匀分布导叶对下游转子流场时空结构的影响,最后通过实验对前面所得到的结论进行验证.认为通过周向非均匀导叶实现流场的耦合流动时,激励区的长度决定了激励效果的好坏,而缓冲区内加入离散导叶可以提升转子流场时空结构品质改善压气机性能.      

对圆柱和二维扩压叶栅在平面叶栅风洞中旋涡脱落的试验研究

随着叶轮机设计技术的发展，对流动非定常的了解显得越来越急迫。而在叶轮机的流动中，尾流是导致流动非定常的一个重要因素，因此对尾流流动特性的研究就显得很有必要。本文在不同的平面叶栅风洞中对圆柱及二维扩压叶栅进行了吹风实验，利用传声器、热线热膜以及动态压力传感器等动态测试仪器，对圆柱和二维扩压叶栅后旋涡脱落情况进行了试验研究。实验结果显示，在平面叶栅风洞内的圆柱体尾流中有类似在外流中的卡门涡街脱落现象．但所对应的斯特劳哈数比外流稍小。更重要的是，还首次得到了二维扩压叶栅后明显的旋涡脱落特征频率，证实了在二维扩压叶栅非定常流动中也伴随着有规律的旋涡脱落。这些结果将为利用外流的成果和更全面地考虑叶轮机的气动设计提供很重要的参考作用。     

Investigation of flow unsteadiness in a highly-loaded compressor cascade using a dynamic mode decomposition method

Unsteady flow in the hub endwall region has long been a hot topic in the turbomachinery community. However important it is to the performance of the whole engine, the coherent unsteady flow phenomena are still not well understood. In this paper, the complex flow field in the hub endwall of a cantilevered compressor cascade has been investigated through numerical approach. The predicted results were validated by experimental data. To highlight the dominant flow structures among irregular and chao...     

不同雷诺数下翼型气动特性及层流分离现象演化

低雷诺数下空气黏性效应突出,翼型表面普遍存在层流分离现象,相比常规雷诺数情况气动特性显著恶化。采用带预处理的Roe方法求解非定常可压缩Navier-Stokes方程的数值模拟技术和低雷诺数低湍流度风洞油流显示试验技术,对FX63-137翼型不同雷诺数下气动特性和流动结构展开深入研究。通过风洞油流显示试验可以清晰获得低雷诺数层流分离流动的两道油流汇集线。数值模拟结果表明其分别为时均化主分离线和二次分离线,两种结果定性定量均吻合较好,证明了本文的研究方法有效可靠;雷诺数从500 000降至20 000,翼型气动特性和层流分离流动结构均发生显著的变化,伴随阻力系数剧增和升力系数剧降,时均化流动结构从附体至出现经典的长层流分离泡,并最终演化为后缘层流分离泡,相应的两种分离泡的非定常流动结构也存在显著差异;对于阻力系数和升力系数而言,存在不同的临界雷诺数,因为导致阻力系数剧增的机理在于经典长层流分离泡的产生使翼型压差阻力大增,而造成升力系数剧降的主要原因在于后缘层流分离泡使得等效翼型后部弯度减小;非定常结果显示正是由于翼型表面漩涡周期性的生成与脱落,才造成了低雷诺数下升力系数的周期性波动。翼型上表面主分离涡即将脱落时,流线在后缘附近再附,升力系数达到峰值;而当流体从下表面向上卷起二次分离涡时,尾部流线大尺度分离,升力系数降至谷值。     

俯仰振荡引起的二元高超声速进气道不起动/再起动特性

针对高超声速飞行器受到扰动后俯仰姿态可能会瞬时大幅度改变或振荡的问题,为了分析其对进气道起动/不起动特性的影响,在Ma=4.03条件下对二元高超声速进气道俯仰振荡的流场进行了非定常数值模拟研究。研究结果表明:大幅度俯仰振荡的二元高超声速进气道会出现不起动和再起动现象,进入不起动/再起动状态时的流场特征和性能参数均发生剧烈变化;不同折合频率俯仰动态变化时,进气道的性能参数及流场特征存在明显差异,气动性能存在迟滞现象;折合频率越大,进气道发生不起动时的攻角值越大,再起动时的攻角值越小;折合频率增加到一定程度时,进气道可能出现全程起动或不起动现象,初始攻角将是决定进气道处于全程起动或不起动状态的关键因素。     

非对称处理机匣周向分区数的实验

为了改善传统的对称处理机匣对压气机"扩稳降效"的普遍现象,设计了五种周向分区数的非对称处理机匣。实验结果显示,非对称处理机匣的分区数对压气机的稳定裕度影响不大;而对效率和总压升影响较大:随着分区数增加,压气机的性能先增加后降低。其中一种优选结构的非对称处理机匣能使压气机的稳定裕度扩大13%,同时使其峰值效率提高0.8%。这种非对称处理机匣能取得明显优于轴对称处理机匣的"扩稳增效"的原因是它改变了处理槽对压气机叶尖作用的非定常信号。根据非定常耦合流动理论,其产生的独特的低频激励信号能够对压气机叶尖复杂的非定常流场产生耦合整流效果。     

战斗机大迎角/过失速机动下的进气道气动特性

为掌握战斗机在大迎角和过失速机动飞行时进气道的稳、动态气动特性,采用基于动态嵌套网格的非定常雷诺平均Navier-Stokes （URANS）方程和大迎角风洞试验方法对某战斗机进行了研究,并通过大迎角和过失速机动飞行试验进行了验证。结果表明：大迎角稳态下进气道气动性能随迎角增大逐渐降低,天地相关性吻合良好,而计算仿真和飞行试验均捕捉了眼镜蛇机动下进气道的非定常迟滞效应。通过研究获得了战斗机在大迎角和过失速机动下的进气道气动特性,建立了过失速机动下进气道非定常非线性特性问题的研究方法。     

Aerodynamic performance enhancement for flapping airfoils by co-flow jet

Introducing active flow control into the design of flapping wing is an effective way to enhance its aerodynamic performance. In this paper, a novel active flow control technology called Co-Flow Jet (CFJ) is applied to flapping airfoils. The effect of CFJ on aerodynamic performance of flapping airfoils at low Reynolds number is numerically investigated using Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes (URANS) simulation with Spalart-Allmaras (SA) turbulence model. Numerical methods are validated by a NACA6415-based CFJ airfoil case and a S809 pitching airfoil case. Then NACA6415 baseline airfoil and NACA6415-based CFJ airfoil with jet-off and jet-on are simulated in flapping motion, with Reynolds number 70,000 and reduced frequency 0.2. As a result, CFJ airfoils with jet-on generally have better lift and thrust characteristics than baseline airfoils and jet-off airfoil when C_μ is greater than 0.04, which results from the CFJ effect of reducing flow separation by injecting high-energy fluid into boundary layer. Besides, typical kinematic and geometric parameters, including the reduced frequency and the positions of the suction and injection slot, are systematically studied to figure out their influence on aerodynamic performance of the CFJ airfoil. And a variable C_μ jet control strategy is proposed to further improve effective propulsive efficiency. Compared with using constant C_μ, an increase of effective propulsive efficiency by 22.6% has been achieved by using prescribed variable C_μ for NACA6415-based CFJ airfoil at frequency 0.2. This study may provide some guidance to performance enhancement for Flapping wing Micro Air Vehicles (FMAV).     

超声速进气道反压引起的不起动/起动现象研究

为了探索节流反压变化对进气道起动性能的影响,在来流马赫数为2.0的情况下,采用定常/非定常数值仿真方法对出口可移动壁面运动速率为12,24,36mm/s的进气道进行了研究,分析了不同可移动壁面运动速率引起的堵塞度变化对进气道流场特性及气动性能的影响。结果表明:采用非定常数值仿真获得的进气道性能参数和流场特性变化规律与定常数值仿真时一致,定常/非定常数值仿真时的进气道性能参数均存在"迟滞回路"现象;进气道出口堵塞度变化速率越大,"迟滞回路"现象越明显;堵塞度变化速率越大,进气道进入不起动状态时的堵塞度越高,进气道再次进入起动状态时的堵塞度越低。     

风扇/压气机技术发展和对今后工作的建议

风扇 /压气机是航空涡轮发动机的关键部件之一 ,高推重比发动机对它们提出了更高的要求 ,出现了一些新的技术问题需要加以研究解决。本文评述了风扇 /压气机的发展趋势 ,对于提高其性能的主要措施如高叶片速度 ,低展弦比 ,高通流进口级 ,掠形叶片技术 ,大小叶片气动布局等都作了详尽程度不同的评述。风扇 /压气机内的非定常流动不仅影响气动性能 ,而且影响可靠性 ,如高周疲劳、失速和颤振等 ,应加强研究。现代计算流体力学为我们提供了跨越式发展的可能性。本文对今后工作提出了建议。     

基于CFD技术的螺旋桨气动特性研究

通过求解绝对坐标系下的雷诺平均Navier-Stokes方程数值模拟螺旋桨侧流黏性绕流,计算螺旋桨非定常气动特性.为了保证时间精度和提高计算效率,采用含牛顿型LU-SGS(lower-upper symmetric-Gauss-Seidel)子迭代的全隐式双时间法并引入多重网格技术.为了描述桨叶的相对运动,采用运动嵌套网格技术.对于轴流状态,计算结果与实验值吻合良好;对于侧流状态,与工程算法1P(once-per-revolution)载荷法进行了比较,验证了方法的有效性.应用该方法计算螺旋桨在不同来流偏角下的周期性气动特性,可有效地用于螺旋桨的设计.