用SPIV测量结果分析叶轮机内流动损失的方法初探

基于大涡模拟和PIV(particle image velocimetry)测量的相似性,利用SPIV(stereoscopic PIV)测量结果,可以使用亚格子应力模型求解流场中的湍流耗散率.对比不同亚格子应力模型求出的结果,混合模型求出的结果较为准确,但需要合理选择模型中的系数C_Sm和CAm.利用该方法分析低速大尺寸压气机试验台转子近叶尖区域的SPIV测量结果,发现在设计状态流场中的损失主要源于叶尖泄漏涡,而在近失速状态则主要源于叶尖泄漏涡和角区旋涡.      

跨声速压气机转子叶尖间隙流动失稳试验研究

以跨声速单级轴流压气机为试验对象,通过在机匣表面安装高频响应动态压力传感器测量转子叶尖间隙流场,观察了不同转速下转子叶尖间隙泄漏流动结构随工作状态变化的响应特征。试验结果表明:100%转速时,叶尖间隙泄漏涡通过脱体激波后会突然膨胀而出现涡破裂现象,在转子通道内形成大面积的高静压低速堵塞区,对转子叶尖区域通道造成严重堵塞,迫使叶尖间隙泄漏流在相邻转子叶片叶尖前缘发生溢流,最终触发压气机内部流动失稳。80%转速时,叶尖间隙泄漏涡对叶片通道主流区堵塞影响较小,通道激波对进口来流产生阻滞作用,气流在进入转子叶片通道进口前严重分离,使得整个转子叶片通道完全被堵塞,最终触发压气机内部流动失稳。     

高压压气机低速模拟试验

 设计了一台用于模拟高压压气机内部流场结构的四级重复级低速大尺寸模型压气机。对该低速模型压气机的模拟级(即第3级)进行了详细流场测量。流场测量结果以及三维流场计算结果与模拟目标值的对比表明,低速模型压气机基本达到了设计目标,在70%叶高以下,低速模型压气机可以反映出高速原型的流场结构,同时也表明所采用的"相似准则"是基本可靠的;受加工因素的影响,转子叶片的叶尖间隙明显大于设计值,从而导致在70%叶高以上区域,低速模型压气机的流场参数与设计目标存在一定的偏差,无法模拟出高速原型的流场结构。     

叶尖小翼对小流量跨声速压气机转子的影响研究

为了控制压气机转子叶尖泄漏流动,减少叶尖泄漏流和叶尖泄漏涡对压气机内部流场带来的不利影响,针对小流量压气机进口跨声速转子进行了叶尖小翼的数值研究,探索了叶尖小翼对小流量跨声速压气机转子性能的影响和对叶尖泄漏流的控制机理。研究表明,4倍压力面宽度的压力面叶尖小翼可以使得压气机转子的流量裕度增加24.5%;吸力面叶尖小翼和压力面叶尖小翼影响失速的主要因素不同,吸力面叶尖小翼增大了吸力面侧流体的逆压梯度,扩大了低速流体区域,压力面叶尖小翼通过降低叶尖负荷,从而减弱泄漏强度,减小了低速流体区域。     

多级低速压气机静子通道内流场测量

为了揭示多级低速压气机静子通道内部流场结构,深入了解引起静子总压损失的机理,提出了使用2种探针(2根4孔探针和6根不同长度的L型5孔探针)同时测量静子进口截面及静子通道内截面的方案,并以某4级低速轴流压气机的第3级静子为对象,开展了静子进、出口截面及通道内截面的流场测量。结果表明:在静子通道内的流场结构及涡的发展过程中,叶尖区域的角区分离不断发展是造成静子通道内总压损失的主要原因;验证了该测量方法在多级低速压气机静子通道内流场测量方面具有工程应用价值。     

设计状态下压气机转子叶尖泄漏涡流动研究

在低速大尺寸单级压气机实验台上,利用SPIV技术测量了设计状态下压气机转子尖区多个截面的三维瞬态速度场。基于瞬态场测量结果,详细阐述了设计状态下压气机转子叶尖泄漏涡产生、发展、失稳、破碎的演化过程,导致叶尖泄漏涡失稳的4种主要因素:主流的逆压梯度、哥氏力、端壁的剪切流动和来流湍流度的影响,分析了压气机内泄漏涡的失稳破碎机制,以及泄漏涡与主流的相互作用等。     

压气机静子通道内的流场测量

为了研究根部间隙对压气机静子通道内流场的影响,设计了4根不同长度的“L”型五孔探针和1根四孔探针.通过位移机构带动上述探针,在最大流量和近失速两种工况下,对某双级低速轴流压气机的第1级静子通道内5个不同轴向位置截面进行了流场测量.实验结果表明:静子通道内总压损失主要是由叶尖附近角区分离以及根部泄漏流与主流的相互掺混引起的.静子通道内主要存在着上/下通道涡、叶尖角涡和泄漏涡等旋涡结构.      

轴流压气机转子近失速工况点叶尖区流动非定常性分析

为了揭示某轴流压气机转子近失速工况点叶尖区域流场的非定常变化及其形成机理,采用定常和非定常数值模拟方法对其内部流场进行了全三维的数值模拟。通过和已有的试验测量结果进行对比分析表明,预测的总性能及基元性能与试验结果取得了很好的一致性。近失速工况点的非定常模拟结果表明,压气机的总性能及叶片承受的扭矩出现了周期性的波动,其波动周期约为转子通过频率的2.5倍。进一步详细分析叶尖区流场的瞬态流动结构发现,间隙泄漏涡在近失速工况下出现了泡式破碎,破碎的泄漏涡、主流以及来自相邻叶片的间隙泄漏流相互作用形成了另外一个特征明显的旋涡(命名为叶尖二次涡)。该旋涡的形成、发展和运动是压气机的总性能出现周期性波动的主要原因。     

多级轴流压气机静子通道三维流场测量

为了实现多级压气机静子叶片通道内部的详细流场测量,设计加工了7根不同长度的"L"型五孔探针以及1根四孔探针。在压气机的设计工作状态,通过采用坐标位移机构带动五孔探针和四孔探针的方法,完成了四级低速大尺寸轴流压气机第3级静子叶片通道内部的7个不同轴向位置的截面上以及静子叶片出口截面上的三维流场测量,获得了静子叶片通道内部的详细流场细节。测量结果显示了通道涡和角涡的生成、发展过程以及两者之间的相互影响。实践表明,采用位移机构带动"L"型五孔探针或其它探针的方法可以应用于多级压气机静子叶片通道内部流场测量。     

周向非均匀叶尖间隙对轴流压气机性能的影响

以跨声速单级轴流压气机为研究对象,通过改变转子外机匣椭圆度产生周向稳态非均匀叶尖间隙布局结构,在高转速压气机试验器上详细开展了周向非均匀叶尖间隙对压气机性能特性与稳定边界影响的试验研究。同时,结合转子叶尖间隙流场动态压力精细化测量,揭示了周向非均匀叶尖间隙触发压气机内部流动失稳的物理机制。试验结果表明:转子叶尖周向非均匀间隙对压气机流量、压比和效率基本没有产生影响,但对气动稳定性具有显著影响。随着转子机匣椭圆度增大,稳定工作边界逐渐向右下方偏移,压气机稳定工作范围不断减小;不同转速下,压气机稳定裕度损失程度并不相同,高转速工作区域的压气机稳定裕度损失程度要大于中低转速工作区域的;周向非均匀叶尖间隙会导致原有转子叶片气动负荷沿径向重新分布,弱化转子叶片尖部气动加功能力;设计转速时,相比于小间隙情况,大间隙下的泄漏涡与通道激波相互作用,使得相邻叶片压力面侧的高静压低速区域扩大,加重对转子通道的堵塞作用。     

跨声速压气机转子叶尖非定常流动的数值模拟

为了进一步加深对转子叶尖区域非定常流动现象的认识,针对某一跨声速单转子轴流压气机,采用三维非定常数值方法开展了详细研究。对单转子在不同进气条件以及不同工作流量下分别进行非定常模拟,来研究该转子叶尖区域复杂流动结构以及叶尖非定常流动的发展过程。结果表明:不同进气条件下,转子叶尖区域流场结构形式表现不同.当进口非轴向进气时,叶尖非定常流动呈单通道周期形式;而轴向进气时,叶尖区域出现了类似于“旋转不稳定”的沿周向传播的非定常流动现象,且随着工作流量的减小,叶尖区域流场结构也相应发生改变.      

进口畸变条件下轴流压气机转子内流的PIV研究

用50%堵塞比的插板畸变屏模拟低速轴流压气机进口流场畸变,用PIV(粒子图像速度场仪,ParticleImageVelocimetry)技术测量均匀和畸变进气条件下压气机转子叶片通道内的流场结构。实验表明,进气畸变条件下压气机流场在转子叶片通道内不同的周向位置会产生四种不同的流动结构状态,同时,进气畸变大大增加了漩涡扰动、流动亏损和转子叶排气流分离的强度,这样必然会对压气机的性能产生很大的影响。实验也验证了经典平行压气机理论的缺陷。      

跨声速压气机转子旋转失速现象的非定常模拟

为研究跨声速压气机转子失速机理,全周非定常数值模拟了某跨声速压气机单转子的失稳过程。结果表明:该转子由叶尖Spike扰动诱发旋转失速。在小流量稳定工作状态,压气机转子叶尖区域存在"旋转不稳定"(Rotating Instability,RI)流动现象。压气机节流过程中,转子进出口的流量降低,叶尖区流场非定常波动幅值增大。近失速状态时,RI扰动团的典型流场结构"径向涡"在叶尖区域形成堵塞,导致相邻叶片前缘间歇性地出现溢流现象。随着压气机进一步节流,转子叶尖的负荷达到极值,叶片通道尾缘逆压力梯度过大,出现倒流。尾缘倒流的出现又进一步增加通道内的堵塞,最终形成Spike扰动。失速先兆对应的流场结构是沿叶片前缘额线向相邻叶片压力面周向运动的"径向涡"结构。     

压气机转子叶尖区域流动特征的观测与分析

为了揭示压气机转子内部真实流动的演化过程并分析其背后的流动机制,采用示迹线显示空气流动的方法对某低速轴流压气机转子流场进行了直接观测,同时结合多通道非定常数值模拟技术分析了转子叶尖区域流动特征及其形成机制.结果表明:叶片上的示迹线直观形象地显示了转子内部复杂流动随压气机工作状态变化的演化过程.即随着压气机转子节流,叶顶间隙泄漏流的轨迹不断向上游移动,到达近失速工况时,泄漏流与来流的交界面与转子叶顶前缘平齐,与此同时转子叶尖吸力面附近出现了大面积的回流,且回流的气体均向叶顶前缘聚集.通过进一步研究发现叶顶间隙区域内泄漏流与主流的轴向动量之比随转子流量系数减小而不断增大是导致泄漏流轨迹前移及叶顶回流区扩大的物理机制.     

机匣处理改善某单级跨声轴流压气机性能的机理研究

采用全三维数值方法研究了轴向倾斜缝机匣处理对某单级跨声轴流压气机性能的影响.数值结果表明:机匣处理不仅扩宽压气机稳定工作范围,而且还略微提高了单级跨声轴流压气机峰值效率.通过详细分析压气机转子内部流场,揭示了该机匣处理对该单级跨声轴流压气机性能及流场影响的机理,在倾斜缝中形成的回流作用下,使叶顶吸力面气流分离的起始位置向下游推移,并削弱了分离流与叶顶间隙泄漏流相互作用造成的恶劣影响,提高了叶顶通道的流通能力,进而推迟压气机失速的发生.      

压气机转子叶片叶尖流场的低速模化设计

针对带进口导叶的高速压气机第1级转子叶片的叶尖流场进行了低速模化设计,为后续的低速压气机叶尖流场损失和失速测试试验做了准备.利用叶片造型和数值模拟方法,以保证高、低速压气机转子叶片表面压力系数及叶片排进、出口主要气动参数分布相似为目标,对高速原型压气机进行低速模化设计,包括调整流道形状,对叶型进行反复迭代,并在进口导叶和1级转子叶片的造型设计上突破了几何相似的限制.最后,对高低速压气机的几何、气动参数和流场结构进行了全面的计算对比分析,证明采用所提出的低速模化设计方法是成功的,实现了在流量系数相同的情况下,加工量因子和转子扩压因子分别为98.16%,94.95%的相似度.      

空调器室外机轴流风机内部流动的PIV研究

采用粒子图像测速仪PIV,对具有半管道式结构特点的空调器室外机轴流风机内部流场进行了实验研究,并结合实验结果分析了叶片顶部的叶尖涡和叶片出口尾缘涡的流动特性。实验结果显示在轴流风机流道内部叶顶区域存在与叶轮旋转方向相反的叶尖涡结构。叶尖涡产生于叶片前缘叶顶近吸力面侧,在流道内部与主流发生干涉后朝向周向和出口传播并逐渐耗散。叶尖涡涡心轨迹与叶顶弦长方向的夹角为10°,在叶高方向上叶尖涡的径向位置并不固定。与普通管道内部流动不同,叶片顶部与导风罩间的间隙中未捕捉到明显的叶顶泄漏涡现象。叶片出口近尾缘处30％以上叶高明显捕捉到尾缘涡结构,叶片压力面和吸力面侧的径向速度存在明显的方向变化,切向速度在尾迹区增加。     

轴向倾斜缝机匣处理影响压气机性能的机理

为了揭示缝式机匣处理影响轴流压气机性能的流动机理,对带轴向倾斜缝机匣处理的轴流压气机转子进行全三维非定常数值模拟,试验与数值结果均表明机匣处理在有效地扩大压气机稳定工作范围的同时,也使压气机等熵效率减少。通过详细地分析压气机内部流场,揭示了该机匣处理对该压气机转子性能及流场影响的机理,即倾斜缝内的回流具有抽吸或吹除端部低能流体的能力,在倾斜缝中形成的喷射流的作用下,叶顶通道内的低速气团得到了有利的激励,从而推迟转子的失速。但也使转子叶顶加功量下降,同时缝内的回流及其与叶顶主流的相互作用带来大的流动损失,最终降低压气机转子等熵效率。     

跨声速压气机转子叶尖流场旋转不稳定现象的数值研究

对某跨声速压气机转子在不同工作流量下的叶尖非定常流场进行了数值研究.结果显示:大流量状态下,该转子叶尖流场几乎不发生振荡.此时,叶尖流场可以按定常流场进行分析;小流量状态下,叶尖泄漏涡大幅振荡,相邻叶片通道内的叶尖泄漏流之间也存在周期性相互干涉.其结果是在稳定状态时出现由于叶尖泄漏涡的振荡及其周向传播造成的"旋转不稳定"现象."旋转不稳定"流场结构主模态旋涡个数大约为40%的叶片通道个数;其周向尺度占据2~3个栅距.