对经验法预测叶片失速颤振的分析及叶片颤振数据库的建立

本文对预测失速颤振发作的经验法中单、双参数法作了介绍,并用相似理论对经验预测法进行了分析。指出单、双参数法不够准确的原因,说明经验法的发展是建立叶片颤振数据库。提出了一种利用微机上的数据库管理系统建立叶片颤振数据库的方法。并将预测的跨音压气机失速颤振边界与实验边界作了对比。     

预测叶片失速颤振的一种半激盘方法

变形激盘法是预测叶片失速颤振的实用工程方法之一,其不足之处是忽略了叶片槽道内的非定常流动。本文从非失速颤振的半激盘模型出发,发展了一种适用于失速颤振的半激盘模型,利用简化的槽道非定常解,克服了激盘模型的不足。通过轴流压气机的算例表明,计算与实测结果吻合程度比变形激盘法大有改善。     

带气膜出流叶片前腔内表面冲击换热数值模拟

采用数值模拟方法对不同雷诺数下静止状态涡轮叶片前腔带气膜孔出流的冲击流动与换热特性进行了研究.分析了叶片前缘冲击流动产生的不同涡团对其内表面换热的作用机理.计算结果表明:相同雷诺数下,叶片前缘内表面气膜孔附近的换热强化比高于通道的平均值.随着雷诺数增加,换热强化比有所提高.冲击流动与通道流动耦合而形成的波浪形涡区,极大地扩展了冲击强化换热区域.气膜孔出流的抽吸作用对冲击流产生影响,进一步扩大了冷却空气在前缘内表面的覆盖范围.气膜腔叶根处纵向截面的涡团阻碍了冷气向叶根方向扩展,降低了冷却效率;而横向截面的涡团则促进冷气与壁面热气的掺混,提升了换热效果.      

转静干涉对转子叶片颤振特性的影响

在不同气动工况、不同几何模型下,采用自行开发程序对全环多排的高压压气机进行了流固耦合数值模拟,分析了进口导流叶片(IGV,以下简称导叶)对转子叶片颤振稳定性的影响。通过对气动弹性标准算例4的数值模拟验证了程序在颤振领域的有效性。针对导叶-转子模型和单转子模型,考察了近堵塞点、近设计点和近失速点3个工况下,节径变化对叶片颤振稳定性的影响,给出了气动弹性最不稳定状态对应的叶片振动形式。通过对比发现,导叶作用随工况而异,近堵塞点导叶使得转子1阶弯曲模态气动阻尼提高130.63%。研究表明:导叶引起的非定常压力波反射增强了转子叶片的非定常压力扰动幅值,使得弯曲振型的颤振稳定性增强。基于单转子模型的颤振分析给出了不准确的气动阻尼值。      

低压蒸汽透平排汽缸内能量损失的数值研究

运用三维粘性流场数值模拟软件(Fine/Turbo)对一个低压蒸汽透平排气缸内的复杂流动进行数值模拟,计算结果与已有的实验数据进行了对比.计算得到的排气缸出口截面上的质量平均总压损失为47.8%,实验值为40.9%.数值模拟清晰地显示了排气缸通道内的流场结构是以各种旋涡为主要特征,包括通道涡、分离涡和端壁涡等.其中,通道涡的尺度最大,是造成排汽缸内能量损失的最主要因素.     

压气机叶栅中的二次流动

二次流动对压气机叶片排出口气流角和损失影响大,压气机性能的进一步改善,将取决于对二次流动的妥善处理。本文介绍热线风速仪测量叶栅出口速度和气流角沿叶高的变化,配合流动显示,研究叶栅二次流动的物理图画。实验结果表明,叶栅出口截面附近,由于二次流的作用,端壁附面层是三维的,沿叶高速度分布有某些特点,与二维紊流速度分布大不相同。本文结果与Johnston[2]三角形模型差得远,而与文献[3]基本相同。     

大攻角状态压气机分离流及叶片动力响应特性

为研究大攻角状态压气机转子内部分离区的脱落和传播过程及转子叶片对其动力响应问题,对某跨声速压气机级进行了非定常数值模拟和双向迭代流固耦合数值模拟。研究结果表明,在近失速状态,转子叶片通道内会周期性地发生2次叶背分离区的脱落和传播现象。第1个分离区主要表现出轴向传播特性,其会对下游流场产生影响;第2个分离区主要表现出周向传播特性,其会作用于周向相邻的转子叶片,对转子叶排自身产生激励作用,进而影响叶片表面压力分布,引起叶片较强的动力响应,对叶片结构强度的影响不可忽略。非定常/流固耦合计算手段能够较全面地预测流场中激励源的频率、幅值与位置等,在压气机设计阶段应对此类预测工作予以重视,以期更准确地预测叶片共振及动力响应等问题。     

扩压叶栅端壁角区旋涡对湍流特性的影响

为了弄清扩压叶栅端壁角区旋涡对湍流特性分布的影响,用三维激光多普勒测速技术测量了平面扩压叶栅中角区流动的湍流特性.对测量结果的分析表明:流向涡的核心区域及旋涡与附面层相互作用区域的湍流动能增加.同时,旋涡和旋涡运动强烈影响着雷诺正应力和切应力的分布规律.     

压气机间隙流与处理机匣作用的三维数值分析

利用Numeca CFD对某一压气机静子叶栅的间隙流动进行流场计算,并将其与具有圆弧斜槽处理结构的间隙及流场计算结果进行对比、分析.详细揭示了叶栅顶部间隙区及处理槽内的流动特征.结果表明,通过采用机匣处理,改变了压气机气流流路,形成叶尖漏流的通道,减少漏流下洗对叶片通道造成的阻塞.叶尖附近主流在叶盆尾缘气流高压作用下进入斜槽,而后气流在叶背前缘以高速由斜槽射入主流,该高速射流有效地扫除叶尖易失速的附面层,从而延迟气流分离,扩大压气机的失速裕度并减少二次流损失.这种籍助于动量交换而形成高速射流对主流的作用可能是机匣开槽结构改善失速裕度的主要原因.      

柔性后缘可变形机翼气动特性分析

应用后缘主动变弯度技术的机翼能够改善飞行器的气动性能,其气动特性的研究对于未来可变形机翼的设计具有重要意义。以柔性后缘可连续变弯度二元机翼为研究对象,在Fluent计算平台上采用可压缩Navier-Stokes方程和Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型进行气动力数值研究,从压力分布、流场结构和机翼变形方式等方面分析了可变形机翼的气动特性。数值计算结果表明,可变形机翼升力线斜率和最大升力系数与常规带简单襟翼的机翼基本一致,但失速攻角较小;在失速之前,可变形机翼具有较高的升力系数和升阻比,但同时产生较大的低头力矩。柔性后缘下偏到一定角度可以抑制后缘涡的前传,在失速后升力系数出现缓慢上升,增大了有效攻角的范围,具有较好的失速特性。      

叶片三心对颤振影响的理论研究

本文研究了叶片三心,即重心、扭心和气动力中心对颤振特性的影响。列出了叶片特征截面上叶片型面的弯扭耦合动力方程,计人与位移和速度成线性函数的气动载荷,求解方程并研究了三心与颤振特性的关系。 结果表明,扭心靠近前缘的叶片比扭心靠后的更易起颤;前置重心对稳定性有很大改善;对前置扭心,非定常气动力心位于重心、扭心之间较为稳定,而移至重心之后就易于稳定;但对于后置扭心,气动力中心位于重心、扭心之间也将失稳,而最好气动中心靠近叶片的前缘处。     

平板扰流片振动诱导涡运动研究

本文讨论了非定常分离涡的显示方法,进而研究了平板上扰流片处于静止及在不同频率下振动时所诱导的分离涡的形成过程。当扰流片静止时,在拢流片后仅形成不规则的大尺度涡,一旦扰流片振动就诱导出有固定频率的分离涡。扰流片振动频率高低,对分离涡的尺度、强弱、成对、合并过程有重要影响。文中还对扰流片振幅大小的影响进行了讨论。     

叶尖间隙对失速颤振影响的实验研究

本文介绍了在跨音压气机试验台上,对BF-1系列转子在两种不同的叶尖间隙(δ_1=1.6,δ_2=0.5mm)下进行颤振实验的情况。文中对实验结果进行了初步分析。实验结果表明,对δ=0.5mm的叶尖间隙,由于二次流损失减少,气流激振能量增加,使叶片失速颤振区的范围扩大,颤振边界前移。     

大小叶片直叶栅泄漏流动数值模拟分析

基于S-A湍流模型的全三维数值模拟方法,对带间隙的大小叶片和常规直叶栅亚音泄漏流动进行了计算与分析.结果表明:短弦长小叶片对大叶片吸力面负荷分布、泄漏量以及泄漏涡的产生位置的控制作用较弱;攻角增大后,大叶片泄漏发展到小叶片尖隙导致二次泄漏,恶化叶栅性能;当小叶片靠近吸力面时表现的更为强烈;存在壁面移动时,二次泄漏更容易发生,但间隙流动得到改善;由于攻角变化导致了大叶片泄漏与小叶片尖隙干扰位置变化,表现出不同的叶尖流动模式.      

均匀和畸变进气条件下轴流压气机失速分析

利用逐叶排的非线性模型,模拟了单转子压气机在均匀进气条件下失速的形成和发展过程,对失速特征参数的预测结果与试验结果基本相符.模拟了周向稳态总压进气畸变对单级轴流压气机失速特征的影响,畸变进气对压气机的失速特征参数影响不显著,但是畸变流场与失速流场的耦合作用激发轴向气流振荡增强,使压气机呈现出轴向与周向气流振荡两种失稳模态,它们的相互作用对压气机失稳具有重要影响.     

基于DFT的水射流红外热像频域时空分析

基于二维离散傅里叶变换及空间频谱分析,对水射流湍流脉动的空间尺度进行了研究,得到了由红外辐射温度表征的被动标量湍流场在对流区、耗散区、惯性子区的特征空间尺度及其时间演化规律.对射流不同区域的关心点重新采样,得到湍流场中关心点的时间序列,利用一维离散傅里叶变换,分析了对流区大尺度涡中心、惯性子区小尺度涡中心、耗散区及射流轴心线上各关心点的湍流波动特征.计算了时间序列频谱的分形维数,研究了自由湍流不同尺度区间上述各关心点湍流脉动的分形特征.      

来流局部干扰对三角翼气动特性的影响

通过在三角翼上游加入干扰圆柱的风洞实验方法,研究了来流干扰对微小型飞行器MAV(Micro Air Vehicle)气动特性的影响.结果表明,在刚性和弹性三角翼顶点上游加入圆柱干扰时,两者均出现缓失速,刚性翼产生缓失速与干扰圆柱尾流关系密切,弹性翼的缓失速不仅与此有关,还与弹性翼的振动有关.无干扰或在机翼顶点加入干扰时,在攻角为4°~18°内弹性翼的升力系数比刚性翼的要大,但升阻比相对要小.由于弹性翼的振动与机翼绕流结构、气动力之间的耦合,弹性翼顶点与翼尖振动的主频随着攻角增大呈规律性的变化,失速攻角附近翼尖的振动主频是其涡脱落频率.      

XY-SAS模型对于分离流动的性能分析

XY-SAS(Xu-Yan-Scale Adaptive Simulation)模型是一种新的基于平均涡量的一方程SAS类模型,不但解决了分离涡模拟DES(Detached Eddy Simulation)的雷诺平均N-S方程RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)-大涡模拟LES(Large Eddy Simulation)交界面问题,而且计算量远小于早期SAS.通过对XY-SAS模型的机理分析,认为该模型克服了早期SAS模型预测的湍流能谱在高波数衰减不足的缺陷,并在分析的基础上对该模型进行了改进,取消了其限制器.选用平板边界层和方柱绕流作为算例,进一步研究了该模型对于稳态流动和大分离流动的性能,数值模拟结果同实验值符合良好,证明XY-SAS模型自身完备,是预测稳态流动和大尺度分离流动的有效方法,实现了涡粘性系数根据当地流动状态动态地自适应调整和光滑过渡.     

压气机叶片失速颤振的声学现象

本文介绍了BF-1-1及BF-1-2两个转子在两种不同叶尖间隙(δ_1=1.2mm及δ_2=0.5mm)下叶片失速颤振的特殊发声现象。发声频率为275～285Hz,文中对实验结果作了初步的理论分析。     

低雷诺数下翼型前缘流动分离机制的研究

采用高精度有限差分格式,对来流雷诺数为1.0×104,攻角为3°的二维翼型流动进行了直接数值模拟,研究了低雷诺数下翼型前缘流动的分离机制,描述了分离涡系的相互作用规律.计算结果表明:前缘椭圆弧靠近叶身位置存在吸力峰,流动在吸力峰内强逆压梯度的作用下发生分离;翼型上表面形成了包含驻留涡、脱落涡和二次涡的涡系结构,其尺度随时间不断变化,具有强烈的非定常性;表面压力分布曲线可以较好的描述翼型边界层流动.