超声速来流基元叶型前缘加工误差气动敏感性分析

为研究叶型前缘加工误差对叶栅气动性能敏感性,以NASA Rotor 67转子70%叶高截面基元级叶型为研究对象,选择Clamped型非均匀B样条曲线实现叶型前缘数学描述。采用单因素法建立叶型前缘加工误差模型,提炼出叶片弦长误差、前缘轮廓度误差、几何进气角误差三个误差模型;随后结合L9(34)正交实验及数值模拟方法研究超声速来流条件下三维直列叶栅不同前缘误差类型对叶栅气动性能的敏感性。正交实验极差分析及显著性分析均表明:前缘轮廓度误差FP是影响叶栅气动性能的主要影响因素(75%以上可能性),叶栅性能随前缘轮廓度增加呈现恶化趋势,即叶型前缘越厚,叶栅总压损失越大,扩压能力越小。进一步分析轮廓度误差对叶栅性能影响机制得出:激波损失是叶栅性能随轮廓度误差加大而恶化的重要原因。     

进口预旋对预压缩叶栅性能影响研究

进口预旋对改善叶间匹配、提高压气机效率和抗畸变能力有着重要影响。基于课题组自主研发的RANS方程解算器,以ARL-SL19,SM-1.5预压缩叶栅为研究对象,采用数值模拟和理论分析相结合的方式探讨进口预旋对预压缩叶栅的性能影响。结果表明:叶栅进口引入正预旋,叶栅流动处于溢流状态,来流相对马赫数由1.50降为1.43,叶栅前缘脱体激波表现为一道槽道正激波和一道向远上游延伸的外伸激波,此时叶栅流动损失较大;叶栅进口引入负预旋,叶栅流动始终处于起动状态,随着进口负预旋的增大,来流相对马赫数增加,叶栅流动损失增大。无论进口处存在正预旋还是负预旋,叶栅流动始终遵循唯一进气角原理;当预压缩超声速叶栅处于溢流状态时,可通过减小正预旋或引入进口负预旋的方式使其起动。     

跨音压气机叶栅的激波结构模型及损失

在分析讨论激波与附面层相互作用和栅后背压引起激波形状及强度变化的基础上, 给出了考虑激波/附面层相互作用及栅后背压的跨音叶栅激波结构的物理数学模型。应用本文所提出的模型分析了跨音叶栅的激波损失, 其结果和实验结果一致。激波损失的精确得出, 使得将激波与附面层相互作用所引起的流动分离损失从流动总损失中分离出来成为可能, 有助于了解激波与附面层相互作用引起流动分离的机理。      

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%.      

喉道对压气机超声叶栅流态及性能的影响

为更深入认识超声叶栅流动机理,以ARL-SL19、CM-1.2和SM-1.5叶栅为研究对象,采用数值模拟和理论分析相结合的方式开展喉道对超声叶栅激波结构和性能影响的研究。研究结果表明:超声叶栅存在两种稳定工作状态,起动状态和溢流状态;在来流马赫数较高时,叶栅只工作于起动状态;在来流马赫数较低时,叶栅只工作于溢流状态;存在一个马赫数区间,叶栅的工作状态由前一个状态决定;对于低马赫数C形超声叶栅,高压比下气动喉道起决定因素;对于高马赫数S形超声叶栅,真实喉道起决定因素;若为气动喉道导致溢流,溢流实现更大的裕度和更低的损失,进口马赫数和气流角会受压比影响;若为真实喉道引进的溢流,溢流会降低裕度并增加损失,叶栅保持唯一进气角流动,但进口气流角和马赫数与起动状态不同。     

超音叶栅激波结构研究及叶型优化设计

对于进口相对马赫数较高的超音叶栅,合理组织激波结构是设计中的重要课题.为探索削弱激波损失的途径,建立不同激波结构的计算模型,计算得到了激波结构对叶栅性能的影响规律和特点.为设计性能良好的超音叶型,利用叶型参数化方法构造出中弧线为“S”型预压缩叶型,实现叶栅通道内预压缩及一道斜激波加一道正激波增压;利用优化软件对上述叶型进行优化,叶栅性能提升明显;优化结果显示,正激波位置对超音叶栅性能有较大的影响.     

在激波风洞中进行的涡轮平面叶栅实验

本文描述了在激波风洞中,来流条件为总压P_0=2.0×10~5、8.0×10~5、13.0×10~5Pa,总温T_0=374.4K,入口马赫数M_1=0.40,进行的平面涡轮叶栅实验。实验内容包括叶片表面压力分布测量,热流率分布测量和激光干涉法显示叶栅通道流场。为了进行比较,文中还给出叶片表面马赫数分布和热流率分布的分析结果。测量值与计算结果规律基本一致。     

超声压气机叶栅流场的数值模拟与试验验证

高超声压气机叶栅因适用于战斗机高马赫数飞行、增压比高而成为研究热点,但其损失难以控制,波系结构复杂,激波附面层干扰结果难以预测。基于自开发NUAA程序,对超声压气机平面叶栅流场进行计算分析,并通过与超声压气机平面叶栅试验结果的对比,考察叶栅在不同进口马赫数与气流攻角下的总性能、波系结构与激波位置。结果表明:程序计算的总性能与试验值吻合很好,且能精确捕捉超声叶栅中的激波结构,较好预测叶片表面等熵马赫数分布,可为超声叶栅的设计与结果验证提供支持。     

数值模拟二维跨音速叶栅可压粘性流动

用有限体积法数值模拟了任意回转流面跨音速压气机叶栅中的粘性流动，四步龙格－库塔法用于N－S方程的时间推进。给出了一种抑制叶栅计算中“数值失速”的方法，并采用隐式残差光顺技术加速收敛。用所发展的方法计算了三种叶栅在宽广来流Ma数条件下的流动，计算结果与实验结果吻合良好，流场激波具有较高的分辨率。     

超声速压气机叶栅前缘通道激波损失的鼓包控制研究

为了有效减小超声速压气机叶栅变进气马赫数条件下的前缘通道激波损失及由激波诱导的边界层分离,提出了一种带有平直过渡区的新型鼓包结构,并采用数值方法详细分析了新型鼓包结构对激波与激波/边界层相互作用机理以及鼓包几何尺寸与位置对控制效果的影响机制。研究结果表明:新型鼓包在迎风侧凹面产生的压缩波系有效削弱了前缘通道激波的强度,鼓包过渡区产生的膨胀波系使边界层流体加速,明显抑制了局部流动分离,并使分离提前再附。当某一超声速压气机叶栅的前缘通道激波入射在鼓包的过渡区范围内,鼓包高度为0.35倍的边界层厚度且鼓包迎风侧与背风侧长度分别为过渡区长度4倍与5倍时,可以实现较好的控制效果。此外,与无鼓包方案相比,新型鼓包结构可使超声压气机叶栅在设计工况下的总压损失减少4.6%,同时超声速压气机叶栅进气马赫数在1.65~1.8范围内仍能取得较好的气动减损效果。      

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。     

基于NURBS的扩压叶栅非对称前缘设计

前缘对扩压叶栅叶型气动性能具有重要影响,圆弧形或椭圆形前缘吸力面和压力面侧为对称形状,未针对两侧流动差异进行不同设计。为进一步提升扩压叶栅气动性能,发展了一种基于三次非均匀有理B样条(non-uniform rational B-splines,NURBS)曲线的非对称前缘设计方法,在保证曲率连续的前提下,实现吸、压力面两侧非对称的前缘构造。将设计方法应用于两圆弧形前缘叶型改型设计,数值结果表明:与原始叶型相比,总压损失系数可分别降低26.3%和23.5%,提高了整体气动性能;同时与对称曲率连续前缘相比,在51.83°进口气流角下吸力峰强度降低13.4%,前缘转捩位置推后4.6%弦长,在大进口气流角下具有更好的气动性能。      

跨声速涡轮叶栅三维流场的数值模拟

以具有试验测量数据的一个高压涡轮动叶中截面平面叶栅和一个高压涡轮导向器环形叶栅为对象,采用计算流体动力学(CFD)软件CFX-TASCflow,对两个涡轮叶栅的跨声速三维粘性流场进行了数值计算,验证了CFX-TASCflow软件在航空燃气涡轮设计计算中的可靠性,并对所研究的跨声速涡轮叶栅粘性流场进行了分析.      

低压涡轮导向叶片平面叶栅试验及数值模拟

基于低压涡轮导向叶片平面叶栅设计性能的研究,进行了平面叶栅试验,并采用商用CFD软件NUMECA建立了平面叶栅3维计算模型,得到了各性能参数随出口等熵马赫数的变化曲线、叶片表面等熵马赫数分布曲线、以及S1流面等熵马赫数分布。计算与试验结果表明:数值模拟结果与试验结果吻合较好;本叶栅具有后加载特性,亚声速段的损失较小;在设计工况时流动状态较好,流道中没有出现超声速区和激波现象。     

基于POD-RBFN降阶模型的串列叶栅流场预测

通过传统实验或CFD 手段获取流场信息的方法往往需要耗费大量资源或时间,这在需要快速获取大量流场信息时产生的成本是无法接受的,发展比传统CFD 更快速的流场预测方法具有重要意义。采用本征正交分解（POD）方法对样本流场进行模态分解,提取流场的主导模态;而后采用径向基函数神经网络（RBFN）响应POD 基函数的系数,实现流场降阶预测模型的构建,并在模型中采用基于函数响应偏差的自适应抽样方法;通过某串列叶栅非定常流场数据对预测模型进行验证。结果表明：本文构建的POD-RBFN 混合模型可以快速准确地预测出串列叶栅的流场参数分布;与静态采样相比,本文采用的自适应采样方法在采样效率上表现出明显优势,同样重构精度所需的样本数降低了25% 左右。     

非均匀流等溢流角设计高超侧压进气道

工作在前体附面层内的高超侧壁压缩进气道,来流的非均匀性应该是进气道设计的一个重要依据。按经典的附面层理论和等溢流角设计准则设计了侧壁压缩角为６°,前缘型线为圆弧的变后掠角高超侧压式进气道模型,在Ｍａ５．３／Ｍａ４风洞中利用风洞壁面自然发展的附面层进行非均匀来流下进气道性能试验。试验发现,在相同的来流附面层条件下,圆弧前缘进气道相对于直前缘进气道喉道处的压力畸变小、进气道总压恢复高。     

一种压气机叶型的可控环量尾缘造型方法

为了提高压气机叶型负荷，提出了一种可控环量尾缘造型方法，该方法对叶型尾缘处弦长2%的区域进行特殊造型，通过改变流动后驻点位置从而提高叶型环量，增加叶型气流转角。在不同马赫数及雷诺数下进行数值模拟得到了一致的结论。数值模拟结果显示:以设计进气角D因子为0.52的叶型为基准叶型，采用可控环量尾缘造型后叶型气流转角可提高21%，同时总压损失基本无变化，部分叶型甚至在气流转角提高的同时总压损失有所降低。而当气流折转角相同时，可控环量尾缘可以比传统尾缘的总压损失更小。      

柯恩达效应对涡轮叶栅气动性能及流场的影响

以某实际燃气轮机涡轮进口导向器叶栅为研究对象,在出口为高亚声速及超声速条件下,对具有不同柯恩达表面的环量控制叶栅进行二维数值模拟,通过对比分析叶栅的气动性能和流场细节,探讨了柯恩达效应在涡轮叶栅中的作用机理.结果表明:当叶栅出口马赫数为0.60时,射流对主流有很好的携带作用,损失小于原型叶栅;叶栅出口马赫数增加到0.85时,射流仍有较强的携带主流折转的能力;当叶栅出口为超声速时,在初始阶段小曲率的柯恩达表面上,由于激波的作用,射流向流道中心折转并提前脱离壁面,初始阶段大曲率的柯恩达表面射流附壁较好,但由于叶片吸力面与射流口之间圆角的作用,射流与主流掺混不理想.      

超声速涡轮动叶设计方法研究

研究了基于2维等熵特征线理论的超声速涡轮叶栅设计方法,通过编程开发了超声速涡轮转子叶栅设计软件,该软件可根据进、出口马赫数及进口气流角设计出需要的超声速涡轮转子叶栅。在此基础上应用FLUENT详细地分析了涡轮转子叶栅流场。结果表明:该流场分布合理,未出现激波、分离等现象,且在高载荷系数下具有较高效率。     

超,高超声速机翼俯仰导数的欧拉方程摄动解法

应用片条理论，将文献（１）的尖前缘任意翼型的俯仰稳定性导数的计算方法作、推广、用于计算任意平面形状的三维机翼。在各种特殊的情况下，其计算结果与现有的理论都符合得很好。在激波附体的条件下，本文的计算方法可用于计算任意迎角。任意平面形状机翼的超、高速声速俯仰稳定性导数。