跨声速压气机转子的二次流旋涡结构

为了明确跨声速轴流压气机内部流场结构,数值模拟了NASA Rotor37转子,结合λ2准则分析流场参数,探索流动的规律和旋涡结构。研究发现,压气机转子的旋涡模型主要由马蹄涡、壁角涡、径向涡、脱落涡、泄漏涡、诱导涡和分离涡等7个旋涡组成。马蹄涡吸力面分支耗散,压力面分支向相邻的吸力面发展。壁角涡与脱落涡位于叶根角区,引起流动损失和角区失速。径向涡位于激波后吸力面的分离区内,它扩大吸力面分离、引起低能流体向叶顶堆积。激波与叶尖泄漏在叶顶通道中形成3涡:泄漏涡、诱导涡和分离涡,而叶栅通道出口存在分离涡和由泄漏涡与诱导涡合成的叶顶通道涡。泄漏涡与诱导涡破碎在流道中间产生的堵塞区,分离涡造成吸力面尾缘的低速区,共同触发跨声速压气机的失稳。     

压气机二维叶栅涡脱落的数值模拟

对某压气机二维叶栅的非定常分离流场进行了数值模拟,通过对多种工况的计算,进行了频谱分析,对叶栅非定常流动的流场结构和流动机理做了初步的探讨。在来流均匀,定常边界条件下,叶栅内流动仍然表现出强烈的非定常性;在大攻角下有类卡门涡的脱落;旋涡脱落的频率,随着攻角和马赫数的变化而变化;分离点的位置随着攻角和马赫数的变化而变化。     

涡轮叶栅端壁区流动的实验研究

本文在大尺寸低速开式叶栅传热风洞中对一种高压涡轮导向叶栅中的流场进行了实验研究。采用五孔针对5个雷诺数下的叶栅端壁区三维流场进行了测量,并用线簇和小球浮动法对5个工况的流动进行了流场显示。实验结果表明:马蹄涡压力面分支在向吸力面运动的过程中,破坏了来流附面层的结构,在马蹄涡压力面分支之后,叶栅通道中产生了一个新的从压力面到吸力面的新附面层,新附面层的厚度小于来流附面层厚度;三维流动区约占叶栅通道的40%;雷诺数的增大将增强端壁区的三维流动。从流场显示图片可以观测叶片吸力面靠近端壁的角涡形成与发展,以及吸力面上的三角形区域;流场显示的通道涡大小与流场测量结果吻合。本文的实验结果有助于分析端壁表面和叶片表面换热特性的形成机理。      

基于DDES方法的叶栅分离旋涡的非定常流动数值研究

为了研究叶栅分离旋涡的非定常流动特性,选取亚声速叶栅为研究对象,进行了基于延迟分离涡模拟方法 (DDES)的非定常数值模拟。针对进口Ma0.3的情况,对比分析了进口攻角、叶栅稠度、叶片弯角、叶片中弧线弯度分布和叶片厚度等因素对于叶栅分离旋涡运动的影响。结果表明,当攻角增大时,尾迹附近流场会逐渐由定常模式转化为非定常对涡脱落模式,同时对涡脱落频率不断减小;随着攻角的进一步增大,叶背分离强度不断增加,叶背分离涡开始单独脱落,并主导流场旋涡运动。强烈的叶背分离涡脱落引起了叶片气动力的剧烈脉动,其幅值是小攻角状态下由尾迹对涡脱落引起叶片气动力脉动的30倍以上。叶栅几何参数的改变对于流场旋涡运动同样有很大影响,流场同样呈现出"定常尾迹"、"对涡脱落"、"叶背分离涡脱落"这三种主要的旋涡运动形式之一。叶背分离点的相对位置则是影响旋涡非定常运动形式和旋涡脱落频率的主要内在因素。     

吸附式压气机叶栅气动性能计算模拟研究

为考察附面层吸附技术在压气机静子势流区叶型上的应用,采用流场数值计算方法对吸气叶栅流场进行模拟.结果表明:(1)对于高亚声速压气机叶栅,采用吸力面附面层吸除可提高叶栅的扩压度,但不一定能减小流动损失.(2)对于中亚声压气机叶栅,采用吸力面附面层吸除不仅可提高叶栅的扩压度而且能减小流动损失.(3)如果叶片吸力面靠后缘处有流动分离,吸气位置在分离区的上游较远处可抑制分离,若在分离区附近可能不利于抑制流动分离.      

高负荷压气机叶栅分离结构及其等离子体流动控制

 为揭示高负荷压气机叶栅内部流动损失的产生机理和分布规律以及等离子体气动激励的作用机制,利用拓扑分析和数值计算方法,从计算模型的建立与验证、基准流场的分离结构和等离子体流动控制3个方面展开研究;对总压损失系数分布、拓扑结构和表面流谱与空间流线分布以及旋涡结构进行分析,并开展了激励方式的优化分析.结果表明:随着攻角的增大,固壁面拓扑结构增加了3对奇点,吸力面流向激励改变了固壁面拓扑结构.当攻角为2°时,在吸力面拓扑结构中产生了一对奇点,打断了角区分离线,并引入了一条回流再附线.叶栅流道内部有5个主要涡系,尾缘径向对涡促进流体的展向流动,并成为吸力面倒流的主要组成部分;角涡是一个独立的涡系,其强度和尺度不受等离子体气动激励的影响.吸力面流向激励可以改善叶中流场,但对角区流动作用很小;端壁横向激励可以降低角区流动损失,对叶中流场作用有限;吸力面流向与端壁横向组合激励在整个叶高范围内均可以显著抑制流动分离;端壁横向流动对角区流动分离结构的影响大于吸力面附面层的分离.吸力面流向激励的优化明显降低,而端壁横向激励和组合激励的优化保持并增强了等离子体流动的控制效果.     

压气机二维动叶栅非定常流场的大涡模拟

对压气机二维动叶栅,采用单通道和多通道计算模型进行了大涡模拟(LES),研究了节流过程中内部流场的非定常波动特征,分析了旋涡结构和波动频率的变化规律.结果表明:大流量工况时,前缘绕流和叶片吸力面分离产生的两种非定常波动共存,波动频率随压气机节流基本保持不变,此时吸力面分离表现为小尺度旋涡结构;近失速工况时,吸力面发生大尺度的流动分离,波动频率明显下降,低于叶片通过频率.      

上游尾迹与涡轮叶栅通道涡相互作用研究

采用三维粘性非定常数值模拟方法研究了上游尾迹与涡轮叶栅通道涡的相互作用,对定常、非定常时均以及瞬时时刻流动机理进行了分析.结果表明:上游尾迹的非定常作用一方面增强了叶栅通道涡的径向涡,使得流动损失增大;另一方面能够一定程度上抑制通道涡中流向涡的发展,对控制损失起到正面作用,端区的综合非定常效应取决于两者之间的平衡.在本文计算条件下,上述两方面综合影响使得通道涡的非定常损失增大.      

叶片弯曲对压气机叶栅气动性能影响的数值模拟

为了研究压气机中采用弯曲叶片对叶栅流场气动性能的影响，本文应用Beam-Warming近拟隐式因子分解格式以及MML代数湍流模型，采用拟压缩性方法求解雷诺平均拟压缩N－S方程组，对弯曲叶片压气机叶栅内三维粘性流场进行了数值模拟。结果表明，在给定的条件下，三种叶栅内涡系结构具有某种相拟似性。反弯叶栅吸力面／端壁角区分离严重，中部流动较为理想；正弯叶栅基本消除了吸力面／端壁角区分离，但中部分离较明显；这些又导致三种叶栅流道中涡的大小和强弱存在明显的不同。计算结果与实验结果比较，两者吻合较好。     

压气机叶栅二次流实验与理论分析

 本文给出了压气机叶栅出口截面的损失分布和气流角沿叶高的变化。叶栅二次涡和端壁吸力面角区分离引起流面翘曲和扭转,角区分离形成损失核心。二次流理论计算叶栅出气角沿叶高变化与实验相近。     

低雷诺数NACA0012平面叶栅流场直接数值模拟

采用具有7阶精度的weighted essentially non-oscillatory(WENO)差分格式,直接求解可压缩二维非定常N-S方程组,研究了NACA0012翼型平面叶栅低雷诺数流动的特征.直接模拟及与文献对比的结果表明:叶栅尾缘涡脱落的形成过程与圆柱绕流涡脱落的形成过程非常相似.平面叶栅尾迹区的2阶统计量与孤立翼型尾迹区的2阶统计量具有相同的分布特征,但前者的强度显著大于后者.周期性的涡脱落不仅在上下翼面形成非定常分离,也使得尾迹区某点的总压发生准周期性的变化.随着栅距的减小,翼型上的平均分离位置向前缘移动;尾迹区某点的总压变化频率及其幅值均显著地增加;而且栅距越小,速度脉动2阶统计量反而越大.      

静叶时序对压气机叶片附面层流动影响的数值研究

采用数值方法对两级低速压气机中径处的非定常流场进行模拟,针对压气机第2排静叶两个典型周向位置对动静叶干扰下的叶片附面层流动进行研究.建立尾迹与附面层干扰分析模型,结合叶片壁面摩擦力和近壁面附面层湍动能,详细分析了尾迹和势流干扰下静叶时序改变对叶片附面层流动产生的影响.对第2排静叶附面层的研究结果表明:静叶时序改变了尾迹在其叶排中的输运特征,能够降低壁面摩擦力和近壁面湍动能及其非定常最大波动幅值,影响吸力面附面层内动叶尾迹后沉寂区的宽度.在非定常条件下,尾迹能够诱导静叶层流附面层在尾迹干扰的局部范围内转捩发展为湍流状态,同时高湍流度尾迹的干扰具有抑制逆压梯度下附面层分离的作用,并能够延长层流区的范围.     

带脉冲式涡流发生器的低压透平叶片流动控制数值模拟

 基于Langtry-Menter转捩模型的SST两方程模型,通过数值求解三维非定常雷诺时均Navier-Stokes方程,详细研究了脉冲式射流涡流发生器(pulsed VGJs)对Pak-B低压透平叶片吸力面流动分离的影响,揭示了pulsed VGJs流动控制机理以及脉冲频率和占空系数在流动分离控制过程中的内在关联。数值计算结果表明,pulsed VGJs的引入能够有效抑制甚至消除低雷诺数条件下叶片吸力面上的流动分离,减小总压损失和尾迹宽度。在pulsed VGJs流动控制中,存在最佳射流参数(脉冲频率f和占空系数DC)以获得最大程度的流动控制效果。当f=10 Hz,DC=0.5时,pulsed VGJs流动控制效果最佳,相对于无pulsed VGJs控制时总压损失减少了58%。     

无源微脉冲射流抑制叶栅气流分离的初步实验

基于一种适用于高负荷压气机的无源微脉冲射流控制技术,在平面叶栅实验平台上开展了低马赫数实验研究,得到了无流动控制时叶栅通道内稳态及动态压力特性.对该分离流场（通道内分离涡主频为478Hz,对应的斯特劳哈尔数Sr约为0.2）进行了无源微脉冲射流控制通道内气流分离的实验研究,并针对148Hz到840Hz频率范围内的无源微脉冲射流控制分离流的效果进行了实验测量分析.实验结果表明:在分离涡主频0.85~1.20频率范围内,控制效果最为明显;相比于开缝吹气等定常射流控制方式,无源微脉冲射流控制方式引气流量小,大幅降低了引气对压力面流动特征及叶栅总体性能的影响.      

Numerical Investigation of Flow Separation Control on a Highly Loaded Compressor Cascade by Plasma Aerodynamic Actuation

To discover the characteristic of separated flows and mechanism of plasma flow control on a highly loaded compressor cascade, numerical investigation is conducted. The simulation method is validated by oil flow visualization and pressure distribution. The loss coefficients, streamline patterns, and topology structure as well as vortex structure are analyzed. Results show that the numbers of singular points increase and three pairs of additional singular points of topology structure on solid surface generate with the increase of angle of attack, and the total pressure loss increases greatly. There are several principal vortices inside the cascade passage. The pressure side leg of horse-shoe vortex coexists within a specific region together with passage vortex, but finally merges into the latter. Corner vortex exists independently and does not evolve from the suction side leg of horse-shoe vortex. One pair of radial coupling-vortex exists near blade trailing edge and becomes the main part of backflow on the suction surface. Passage vortex interacts with the concentrated shedding vortex and they evolve into a large-scale vortex rotating in the direction opposite to passage vortex. The singular points and separation lines represent the basic separation feature of cascade passage. Plasma actuation has better effect at low freestream velocity, and the relative reductions of pitch-averaged total pressure loss coefficient with different actuation layouts of five and two pairs of electrodes are up to 30.8% and 26.7% while the angle of attack is 2°. Plasma actuation changes the local topology structure, but does not change the number relation of singular points. One pair of additional singular point of topology structure generates with plasma actuation and one more reattachment line appears, both of which break the separation line on the suction surface.     

具有叶顶间隙的涡轮正弯叶栅流场的拓扑与旋涡结构

为进一步揭示在具有间隙的涡轮叶栅中叶片正弯降低泄漏损失的机理,采用微型束状与球头五孔测针详细测量了直叶栅和正弯叶栅间隙内和诸横截面流场听气动参数,并对壁面进行了墨迹显示。根据测量与显示结果,应用拓扑学原理分析了壁面与横截面流动的拓扑结构,推测出叶栅内流场的旋涡结构。分析结果表明,在直叶栅中存在着七条分离线与七大集中涡系,它们分别为上端壁叶顶进口吸力边与压力边马蹄涡,泄漏损失的机理,下端壁进口边马蹄     

高负荷叶片弯曲对壁面流动的影响

测量了低展弦比高负荷涡轮直叶片和正、反弯叶片叶栅端壁和叶片表面静压及流道内损失沿流向的发展, 并对端壁和叶片吸力面上的流动进行了墨迹显示。实验结果表明:叶片正弯增大了叶栅进口段逆压梯度, 并在叶片吸力面前部形成反“C”型静压等值线, 加剧了叶片前缘的鞍点分离和吸力面分离线向叶栅中部的收敛。叶片反弯减小了叶栅进口段逆压梯度, 在吸力面进口形成垂直于端壁的静压等值线, 不仅削弱了鞍点分离, 而且造成吸力面上的自由涡层型分离, 避免了吸力面上、下分离线相交, 因此二次旋涡损失大为降低。      

吸力面上气膜冷却对涡轮叶栅流场影响的实验研究

利用气动探针测量和墨迹显示方法,对不同实验方案下,带吸力面气膜冷却的某型涡轮导向器叶栅流场结构进行了实验研究。结果表明,冷气射流与燃气主流的掺混以及卵型涡的形成,使得吸力面根部出现了与通道涡旋向相反的涡系;卵型涡始终以一定形式存在于叶片表面,直到叶栅出口与尾迹相互作用后才达到均匀状态;冷气射流很难进入到通道涡分离线与端壁所形成的三角形区域中,通道涡分离线明显向端壁方向下移。      

扩压式叶栅非定常分离流机理研究的频谱分析

二维亚音压气机叶栅非定常分离流中旋涡脱落频率的定性研究,采用数值模拟的方法,通过九种不同工况下流场中多点总压值的快速傅立叶分析,初步提出了区分数值振荡和真实物理振荡的判据,同时得到了这九种工况下非定常分离流中旋涡脱落频率的数值模拟结果。证实在非设计工况下,二维亚音压气机叶栅叶背区出现了较大尺度的开式非定常分离,分离区自身及分离流影响的尾迹区的主要运动形式可能是周期性的旋涡脱落。