低雷诺数下高负荷涡轮分离射流控制的数值研究

通过数值计算详细研究了稳态射流式旋涡发生器VGJs(Vortex Generator Jets)对高负荷低雷诺数涡轮流动分离的控制作用。通过对雷诺数、射流位置和射流倾斜角等参数的研究,分析了射流对分离流动的控制机理。对于本文所用叶型,研究结果发现:雷诺数从200 k降低到15 k时出口截面总压损失系数增大了近300%;VGJs可以彻底消除分离,在分离区内部(83%Cx处)选取射流倾斜角为60度、偏斜角为90度时,射流控制分离效果最好,尾迹动量损失系数减小了19%;倾斜角小于90度时最佳吹风比为3,倾斜角为90度时,最佳吹风比为2。     

射流式旋涡发生器对涡轮流动分离控制

通过数值计算,研究了稳态小孔射流式旋涡发生器VGJs(Vortex Generator Jets)对低雷诺数涡轮流动分离的控制。通过对VGJs射流孔径、孔间距的几何参数研究,分析了射流对分离流动的控制机理。在此基础上,提出并详细研究了多种不同孔径射流孔组合排列结构对分离流动的控制效果与作用机理。研究结果表明,射流孔组合排列结构,以大孔射流为主,采用小孔小流量射流对大孔射流控制的分离流场进行"弥补"与调节,可实现总压损失进一步降低22%,射流流量减小25%。     

基于射流襟翼的涡轮平面叶栅流动控制实验

实验研究了襟翼射流对涡轮叶栅流动的控制,实验测量了某型涡轮叶片压力面尾缘附近由直径为1mm的射流喷口喷射不同流量射流,对不同流动状态下涡轮叶栅流动的影响效果.结果表明:射流襟翼能够有效控制通道内的主流质量流量和流动方向;在进口雷诺数为71742,马赫数为0.048,湍流度为１％状态下,当射流流量达到主流质量流量的4%时,主流质量流量减少了13.32%,气流转折角增大了6.34%;随着射流流量的增大,叶型载荷系数有所降低,同时总压损失系数会增大.      

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.      

流动参数对合成射流控制叶栅流动分离的影响

采用大涡模拟方法、结构化网格建立了低压高负荷透平Pak B叶栅的非稳态数值分析模型,研究了不同流动参数对合成射流控制叶栅流动分离的影响.控制前随着雷诺数的减小和气流攻角的增大,叶栅流动分离区域变大,在气流攻角为5°下发生分离未在尾缘前再附的情况.合成射流控制后,不同流动参数下的流动分离都得到了有效的控制,并且在射流偏角为30°时,合成射流控制效果最好.合成射流使叶栅吸力面的流动分离位置推迟,再附位置前移,分离泡尺寸减小,叶栅吸力面的逆压梯度段缩短,吸力面边界层表面的剪切层在向下游迁移的过程中,没有发生充分的抬升,避免了大尺度涡旋的形成,并且很快地黏附于壁面,进而有效地控制了流动分离.      

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%。     

低雷诺数下翼型层流分离泡及吹吸气控制数值研究

在低雷诺数下Eppler387翼型表面会出现层流分离泡现象,因此本文使用Fluent求解器开展吹/吸气控制翼型表面层流分离泡的数值研究,主要探究了射流位置、射流角度、射流速度比三个控制参数对层流分离泡控制的影响规律.研究结果表明,采用与SSTκ-ω湍流模型耦合的γ～(Reθt)转捩模型可以准确预测层流分离泡的位置;吹/吸气可以有效抑制低雷诺数下层流分离泡的发展,明显提高低雷诺数下翼型升阻比.固定射流位置,较大吸气速度比和较小吹气速度比可分别获得较好的流动控制效果,且吸气控制比吹气控制对层流分离泡的抑制作用更加有效.     

低雷诺数下涡轮叶栅流动分离实验与数值模拟

应用实验测量和数值模拟相结合的方法,研究了低雷诺数条件下高负荷涡轮叶栅吸力面的流动分离。通过对叶片表面压力系数、叶栅出口尾迹以及叶片表面气流分离位置和重新附着位置的比较发现,计算结果与实验结果吻合得相当好。应用本计算方法,对低雷诺数条件下雷诺数和来流湍流度对涡轮叶栅的流场的影响作了准确的模拟,对叶栅吸力面的气流分离、再附等做出了预测。实验研究和计算结果都表明,低雷诺数条件下叶栅损失的急剧增大是由于在低雷诺数条件下叶片吸力面发生了气流的分离,雷诺数越低或者进口湍流度越低,叶片吸力面的气流分离就越严重,由此导致的叶栅损失也就越大。     

定常来流条件下低压涡轮附面层分离流动控制手段的实验研究

高空低雷诺数状态下,低压涡轮吸力面流动分离严重,利用被动控制手段可以有效缓解流动分离,提高叶型效率。为了降低低雷诺数下吸力面的流动分离,实验研究了粗糙度在定常来流条件下对低压涡轮叶型损失及吸力面附面层分离的控制效果。实验依托一台低速叶栅风洞,考察了9种粗糙度控制方案对PACKD-A超高负荷后加载叶型的流动控制效果。实验发现在来流湍流度2.2%,5.0×104~1.6×105的雷诺数测试范围内,覆盖19.5%吸力面弧长范围,粗糙高度(Ra)为20.91μm的粗糙条带是一种最优布置方案。这一优化的流动控制手段可以在一定程度上兼顾降低叶型损失,扩大涡轮叶片正常工作范围的作用。     

不同攻角下端壁射流旋涡控制扩压叶栅分离流动研究

为了研究端壁射流旋涡对扩压叶栅分离流动及性能的影响,采用数值模拟的方法,对不同攻角下带有端壁射流的50°折转角扩压叶栅进行了研究。结果表明:具有最优射流结构的旋涡发生器有效减弱了叶栅角区分离,零攻角下出口总压损失降低了8.9%;随着攻角的上升,射流对扩压叶栅气动性能的改善越显著;射流产生的旋涡可阻挡端壁低能流体向吸力面的迁移,并将主流流体卷入角区,角区流体动量增加、流动分离减弱,但旋涡与端壁二次流的掺混使得10%叶高以下的损失略微增大;射流参数决定了射流旋涡与吸力面的相对位置以及旋涡强度,对射流控制栅内流动分离效果有重大影响,需合理选择。     

雷诺数对涡轮部件性能的影响

利用数值模拟手段研究了雷诺数对低压涡轮部件性能的影响,分析了低压涡轮内部流动的变化。结果表明低压涡轮效率随雷诺数降低而下降,且其变化趋势为非线性变化;叶片表面速度分布亦发生较明显的变化,导致叶型损失与二次流损失增大;结果还表明叶片表面速度分布的设计对涡轮性能随雷诺数变化的规律具有重大影响,在低雷诺数条件下涡轮部件的设计中需加以注意。      

三棱柱的低雷诺数绕流研究

数值模拟了截面为等腰三角形的棱柱在不可压牛顿流体中的二维绕流问题,分析了不同的截面尺度比以及三角形顶点迎风和背风安置时的尾流稳定性与阻力系数.研究发现对于较大截面尺度比的棱柱,在相同雷诺数的情况下顶点迎风相较于顶点背风的情况更易失稳从而产生侧向力,但阻力系数相对较小,当雷诺数为160时,最多能够减少19.4%.进一步地对比研究了顶点迎风与顶点背风在不同截面尺度比时升、阻力系数及涡脱落频率随雷诺数的变化关系.      

非等直径柱肋阵列的冷却特性

为优化柱肋阵列冷却效果,通过缩小柱肋阵列中局部柱肋直径得到3种非等直径柱肋阵列通道。采用瞬态液晶测试技术和数值模拟方法研究了其传热和流阻特性。结果表明:保持奇数排柱肋直径的大小,仅减小偶数排的直径,能在传热减弱不多的情况下,使通道的流动阻力大幅降低。适当调整奇/偶数排柱肋的直径,雷诺数为10 000~50 000,奇偶数排柱肋直径比为1.4的非等直径柱肋阵列通道,其平均传热系数仅减小了约6%,而阻力系数则减小了约21%。      

楔形扰流柱通道流动与传热特性

针对处在高速旋转(哥氏力、离心力以及诱导产生的浮升力)状态下的涡轮转子叶片尾缘独特的几何结构(带扰流柱的楔形通道)和特殊的流动方式(径向进气侧向出流),采用实验的方法在实际工况参数范围内对其传热和流阻特性进行了详细研究:雷诺数和旋转数的变化范围为20 000~45 000、0~0155。实验结果表明:扰流柱的存在使得径向区域底部的滞止区域变大,但这也让中部传热有明显的提升;流阻和综合传热系数的比光滑参数随着雷诺数的增加而下降;旋转对顶部传热有增强作用,底部传热减弱;总地来说旋转使得通道的平均传热减弱,流阻增加,综合传热系数下降。      

Helmholzt振荡腔对光滑圆管换热的强化实验

气流通过Helmholzt振荡腔产生脉动气流.实验固定振荡腔进出口直径和振荡腔直径, 在改变振荡腔腔长的情况下, 在圆管进口Re为22000到82000范围内对等热流加热条件下的圆管换热实验进行了研究.实验将脉动气流所产生的圆管换热效果与定常气流产生的换热效果进行对比.结果表明:气流流经Helmholzt振荡腔后对圆管换热有强化作用, 其强化作用主要集中在沿圆管轴向前10倍直径的长度上, 强化比约为1.1-1.9.随着距离增大换热强化比迅速减小.振荡腔腔长对换热效果有较强的影响.      

超临界翼型低雷诺数流动分析及优化设计

以高空长航时无人机(UAV)翼型研究为背景,对超临界RAE2822翼型在高空高亚声速下的低雷诺数气动特性进行了数值模拟及优化设计研究。采用求解雷诺平均N-S方程的有限体积法,对典型低雷诺数下RAE2822翼型绕流进行数值模拟,验证了SST k-ω湍流模型的可靠性和准确性;基于不同高度不同雷诺数下RAE2822翼型的计算气动力对比分析,研究了高度增大所带来的低雷诺数效应;通过对低雷诺数下超临界翼型表面流场结构及流动机理的详细分析,提出了一种弱化激波的翼型设计思想,并通过优化算例验证了该思想的可行性。     

气动参数对后台阶三维缝隙气膜冷却效率的影响

针对涡轮叶片尾缘冷却结构特点,建立了后台阶三维缝隙结构气膜冷却特性试验台,测量了缝隙中心和肋中心下游气膜冷却效率的局部分布,研究了气动参数变化对冷却效率的影响,其中基于缝高的二次流雷诺数变化范围是5 000～15 000,吹风比变化范围是0.5～2.0。试验结果表明:（1）二次流雷诺数对下游冷却效率的影响较小,对三维掺混区域的范围影响也不大;（2）吹风比对冷却效率有较大影响,总体上冷却效率随吹风比增大而降低;（3）吹风比对三维掺混区的范围及三维掺混的特征均有较大影响,吹风比较低时,二次流向两侧肋后区域的流动扩散性较好,有利于提高整个被保护面的冷却效率,吹风比较高时,二次流向两侧肋后区域的流动扩散性较差,造成肋后区域冷却效率较低。      

出流方式对阵列冲击换热的影响

采用瞬态液晶技术测量了阵列冲击靶面的局部传热系数.获得了冲击雷诺数为5 000,10 000,15 000,20 000,25 000时三种不同出流方式时的靶面传热系数分布规律.结果表明:双侧出流时,靶面的平均传热系数比单侧出流要高;不同方式的单侧出流,由于产生的横流强弱作用不同,所以靶面的平均传热系数也有所不同.不同出流方式时,靶面的局部传热系数均随冲击雷诺数的升高而升高.      

带肋和双排出流孔通道的流动特性

研究了通道进口雷诺数和总出流比对带肋和双排出流孔通道流量系数和压力分布的影响。实验研究的通道入口雷诺数为3×104~1.5×105,通道总出流比为0.09~0.22。结果表明:通道总出流比较小时,流量系数沿流向减小。通道进口雷诺数增加,流量系数先增加,之后基本不变;通道总出流比较大时,流量系数基本不变;各工况下总压系数沿流向依次经历迅速减小、基本不变、继续减小的过程;沿流向各位置上的总压系数在通道进口雷诺数为6×104~9×104时最小;出流比增大,沿流向各位置上的总压系数随之增大。     

高空低雷诺数二维叶栅叶型优化设计研究

在高空、低速、低雷诺数下,进行具有较强抗分离能力的新叶型研究,探索叶型设计的新概念和新方法,并发展相应的低雷诺数压气机叶片二维设计技术是十分关键的。本文进行了低雷诺数条件下二维压气机叶栅流场计算与对比,在探索高空、低速、低雷诺数对压气机叶型性能影响的基础上,以发展适应低雷诺数流动的、具有较强抗分离能力的新叶型为最终目标,进行叶型设计新理论和新方法的探索,为最终突破低雷诺数下叶型设计的关键技术提供了可行的途径,并为三维叶片优化造型打下了基础。