低速轴流压气机尾流撞击效应的数值模拟

利用二维数值模拟研究了低速轴流压气机上游尾迹对下游相邻叶排的非定常分离流场的影响。研究表明：满足一定通过频率和亏损幅值条件的尾迹能够有效抑制下游相邻叶排尾缘涡的生成，达到控制或是推迟附面层非定常分离的目的，从而使得流场时均性能大幅度的提高，损失系数降低了40．2％，功损比增加93％。为固有非定常潜能的利用提供了一类新途径。     

尾流撞击效应在低速轴流压气机中应用实验研究的初探

通过改变尾流撞击效应扰流耦合器的叶片数目来改变尾流撞击效应的激励频率,从而研究其对压气机稳态性能的影响。通过12组方案的实验,当尾流撞击频率为2 000 H z和4 000 H z时,对压气机失速裕度的改善最为明显,相对增量分别达到19.5%和15.2%;当尾流撞击频率为1 000 H z时压气机性能有所恶化。并得到转子的分离流特征频率约为2 000 H z。也就是说,激励频率为特征频率及其倍频时流场可获得最好的气动性能,而激励频率为特征频率的1/2时流场的损失最大。此外,初步讨论了尾流撞击效应作用机理及激励频率与性能提高的关系,这就为轴流压气机中两种流态转化的工程应用,特别是多级轴流压气机设计中的级间匹配问题提供了一个新的思路与途径。      

尾流撞击效应的一些探讨

通过采用外部声激励的方式,在低速轴流压气机内研究非定常尾流撞击效应对压气机流场结构以及时均气动性能的影响。主要包括:低速轴流压气机实验台的流场调试;流场的稳态、动态测量;实验数据的处理和分析。实验结果表明:当发生尾流撞击耦合效应时,压气机内部流动的时空结构以及时均气动性能均得到较大提高。      

二维扩压叶栅非定常涡面分析

轴流压气机内流动是典型的非定常旋涡流动,而现有压气机分析设计体系在定常假设下以流场空间结构为对象.研究压气机内真实流动的途径之一是分析流场时空结构.把转/静叶片交错排列简化为单叶片排,再简化成2-D扩压叶栅.从叶栅非定常涡面的角度来描述非定常旋涡流场时空结构.作为举例,利用合成射流控制涡面演化,改善流场时空结构.此涡面简化模型可为进一步研究叶轮机叶排间干扰复杂流场的时空结构提供分析工具.      

单转子轴流压气机涡动力学失稳机理研究

为了研究单转子轴流压气机的涡动力学失稳机理,采用基于Shear Stress Transport(SST)湍流模型的尺度自适应雷诺平均/大涡(RANS/LES)混合模拟的方法对低速单转子轴流压气机进行了非定常数值模拟。研究结果表明:在设计转速3kr/min条件下,叶顶泄漏涡、二次泄漏涡以及诱导涡破碎引起的叶顶区域的堵塞是触发单转子轴流压气机内部流动失稳的主要因素。压气机由近堵塞工况点向小流量工况点逼近的过程中,叶顶泄漏涡轨迹与轴向的夹角由70°增加到76°,二次泄漏涡起始点位置前移加速叶顶泄漏涡向转子前缘移动。近失速工况点叶顶泄漏涡的轴向动量与主流的轴向动量之间存在一种平衡,叶顶泄漏涡稳定在转子前缘。压气机进一步节流主流的轴向动量减小,对叶顶泄漏涡轴向动量的抑制能力减弱,叶顶泄漏涡的位置不再稳定,诱发尖脉冲型失速先兆。     

轴流压气机小流量状态转子叶尖泄漏涡三维紊流特性

用三维激光多普勒测速系统测量研究了低速大尺寸单级压气机在小流量状态下转子叶尖泄漏涡的三维紊流特性。结果表明,小流量状态下叶尖泄漏涡是引起压气机转子内尖部紊流脉动的主要因素之一,造成的高紊流区沿流向逐渐扩大,并较迅速地向通道中部和低叶高方向移动,紊流强度值随旋涡的增强而增大。在泄漏涡影响区域中,径向紊流强度水平最高,轴向和切向紊流强度水平相近,3个剪切应力中,轴向—径向最大,切向—径向次之,轴向—切向最小。在 80 %弦长附近,泄漏涡发生破裂,导致更强、更大范围的紊流脉动。受角区旋涡发展的影响,后半个通道内叶尖吸力面角区在较大范围内紊流脉动强,剪切应力大。      

离心压气机近失速工况叶尖流场特征及泄漏涡面涡模型

为研究航空微型涡轮发动机离心压气机的失速机理,采用数值模拟的方法,对压气机在设计点和近失速点的流场特征进行了研究,并对叶尖泄漏涡进行了建模。结果表明:在近失速工况下,更多的来自轮毂处的低能流和二次流会汇入叶轮通道近壁面的低速区,使得叶尖的堵塞加重,泄漏涡轨迹的偏转及其卷吸作用可能是造成这种现象的原因。通过在压气机机匣外侧引入虚拟镜像涡的方法,应用机翼涡对的不稳定性理论和面涡模型对泄漏涡建立了模型。应用该模型对本文研究的离心压气机以及三个国内外具有典型代表性的压气机进行了预测,表明模型得到的频率同计算和实验结果具有较好的吻合性,对德国宇航院压气机的预测频率与其实际频率的误差仅为2.8%。总体而言,当间隙高度较大时,模型的预测更为准确。     

小型轴流压气机静叶排出口尾迹流动特性

基于小型轴流压气机实验台,运用热线风速仪(HWA),对不同转速、流量工况下,静叶排出口尾迹流动特性进行实验研究。对同一工况下尾迹区时均速度及湍流度分布规律的研究表明：受前排动叶的影响,静叶排不同叶展截面处尾迹大小、尾迹中心位置存在着明显差异;沿展向叶根、叶尖附近湍流度明显高于主流区。同时,还对不同工况下静叶排尾迹区各统计参数的变化规律进行了研究,较为系统地总结出轴流压气机工况变化对静叶排出口尾迹大小、尾迹中心位置、尾迹区湍流强度以及雷诺应力大小的影响。     

二维亚声扩压叶栅尾流撞击效应的数值模拟

二维亚声压气机叶栅的数值模拟表明，合理地组织流场中非定常流动的相互作用能有效地控制无序的非定常流动。在定常边界条件下获得流场旋涡脱落的特征频率后，针对此特征频率，通过改变进口边界条件来模拟尾流撞击效应(wake impacting effect，首字母缩写为WIT)，证实了合理组织各个非定常扰动的相互作用可以提升叶栅的气动性能，并分析了非定常扰动之间相互作用从而导致气动性能变化的机理。     

跨声轴流压气机激波/泄漏涡/边界层分离相互作用的影响

对跨声速转子Rotor37进行三维定常数值模拟,将设计间隙与零间隙进行对比研究,分析激波、边界层分离、间隙泄漏涡相互作用影响.数值计算显示:激波、泄漏涡、边界层分离相互影响,加速了失速的发生;减小间隙可以起到扩稳的作用.根据边界层分离、间隙泄漏涡在叶栅高度上的影响范围,提出利用抽吸技术进行被动控制改善流道流动状况时抽吸点的设置位置.      

静-转叶排轴向间距对某跨声速压气能的影响

对两种轴向间距下某跨声速轴流压气机静子-转子叶排间的流场进行了定常数值模拟,结果表明:在大流量工作状态下,近轴向间距时的效率较远轴向间距时有明显降低;在高负荷工作状态下,两者的效率相差不大.对大流量工况点与高负荷工况点的流场非定常数值模拟结果表明:近轴向间距时转子前缘激波对上游静子叶片附面层的干扰要强烈的多;近轴向间距时上游静子尾迹对在高负荷工况点动叶叶尖处出现的二次泄漏有更强的抑制作用,能更有效的减弱叶尖泄漏流造成的堵塞和损失.      

低速轴流压气机转子尾迹三维动态测量

对一台低速轴流压气机的转子尾迹进行了三维动态测量,采用锁相平均、方均根和功率谱密度等分析方法对低速轴流压气机转子在节流过程中尾迹流场的稳态和动态特征进行了研究.结果显示:在绝对坐标系下,转子尾迹有高总压和高方均根特征,且在不同叶高的强度不同;转子尾迹与主流的掺混作用导致平均总压升系数的快速衰减;功率谱密度分析表明,在接近失速点时,转子尾迹90%叶高以上出现0.5倍叶片通过频率的特征频带且其功率随着流量减小而增大.      

轴向间距对某跨声速轴流压气机叶排间干扰的影响规律

对不同轴向间距下的某跨声速轴流压气机内流场在设计转速时进行了定常数值模拟,结果表明当转子与上游静子轴向间距减小时,压气机的效率和压比有明显降低,而转子和下游静子间距减小时,压气机的效率和压比反而有所提高.进一步的非定常数值模拟结果表明:①转子与上游静子轴向间距减小时,转子前激波与静子尾缘干扰增强,造成了效率和压比的下降...     

离心压气机中进口导叶尾迹的形态、输运及与叶轮流场的相互影响研究

对跨声速离心压气机中进口导叶与叶轮的相互影响作用进行了数值模拟研究,研究模型包括三种几何间距模型及对同一间距几何模型使用了两种不同的转静子交界面位置设定。计算结果表明：转静子交界面位置的设定对于多排叶片混合平面法定常计算性能会产生较大影响,5%叶轮轴向长度的变化就可造成1%的效率、2%的压比差别;进口导叶与叶轮的叶排间距大小对离心压气机级气动性能影响很小,但间距较小时会造成流场内较大的压力波动。在近叶排间距时,导叶切割叶轮激波会在导叶压力面侧产生一个高损失区,并沿导叶表面向上游传播;该高损失区由激波压力波造成。此外,激波存在与否,影响到两排叶片流场的相互影响作用强度：激波使叶轮对导叶流场的影响几倍甚至十几倍大于导叶对叶轮流场的影响;激波的影响作用使导叶压力面、吸力面侧压力波动由不同的原因造成。最后,在近叶排间距时,初始进入叶轮通道内且靠近主叶片压力面的尾迹相对靠近吸力面的尾迹片会滞后;完全进入叶轮通道后,近压力面侧尾迹的滞后更显著。     

离心压气机进口导叶尾迹的形态、输运及与叶轮流场的相互影响

采用数值模拟方法研究了跨声速离心压气机进口导叶与叶轮的静/动叶排相互影响作用,研究包括三种几何间距模型及对同一间距模型使用了两种不同的转静子交界面位置设定.计算结果表明:交界面位置的设定对混合平面法定常计算性能会产生较大影响,对非定常性能影响很小;叶排间距大小对级性能影响几乎可以忽略,但间距减小会造成流场内压力波动增大;叶轮激波使叶轮对导叶流场的影响几倍甚至十几倍大于导叶对叶轮流场的影响,且激波的影响作用使导叶压力面、吸力面侧压力波动由不同的原因造成.      

Influences of meridional flowpath on the performance of swept blade in an axial compressor stage

A series of numerical simulations were conducted in both a 1.5 stage axial compressor model and a simplified planar cascade model. The cases with different blade sweep schemes in the cascade model were simulated with free-slip endwalls to minimize the influence of endwall 3-D(three-dimensional) flows. The results obtained in the cascade model were discussed at first for getting a clear insight into the effects of blade sweep without other influences. And then the simulation results of the 1.5 stage compressor model were discussed accordingly. The discussions focused on the influences of different meridional flowpath designs, i.e. constant mid radius (CMR) design, constant outer radius (COR) design and constant inner radius (CIR) design, on the performance of the swept blade. The results showed that the most critical effect produced by blade sweep was attributed to the redistribution of local mass-flow-rate in blade spanwise direction. The change of meridional flowpath did not change the mass-flow-rate redistribution behaviors. However, the trends for local mass-flow-rate redistribution in compressor stage model showed some discrepancies compared with the results shown in the planar cascade model.      

跨声轴流压气机转子尾迹的总压平均方法

对一台跨声轴流压气机转子的尾迹流场进行了数值模拟研究和总压实验测量,结合理论分析方法,研究了面积平均和质量平均这两种常用的总压平均方法在跨声轴流压气机转子尾迹测量中的联系与差异.结果表明:在靠近转子尾缘的测量截面,由于转子尾迹流场中存在总压高而轴向速度低的区域,导致面积平均总压大于质量平均总压;而随着尾迹与主流在下游逐渐掺混均匀,面积平均总压又小于质量平均总压.两种总压平均方法的这一规律性关联可以在研究压气机转子尾迹特征尤其是进行数值计算和实验测量结果对比分析时提供一些有价值的参考.