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.      

射流对压气机叶栅分离流控制的数值研究

现代先进轴流压气机级负荷不断提高的发展趋势导致流动分离日益严重.借助数值模拟分别对非定常射流和定常射流进行了参数优化研究.结果表明:基于射流的主动流动控制能有效弱化或消除流动分离,不同射流方式存在不同的最优射流参数(射流方向、位置、速度和频率等),这就为利用射流控制轴流压气机分离流动的工程应用奠定了一定的理论基础.     

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.      

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.      

中等后掠角三角翼前缘双涡结构的形成机理数值研究

采用数值计算的方法,对前缘后掠角为50°的三角翼布局在不同迎角下的绕流结构及其演化进行了研究。在不同迎角下,计算的压力分布与实验结果吻合较好。对数值计算的流场结构分析发现：对于中等后掠角三角翼,在一定的雷诺数和迎角下,在机翼翼面上会出现前缘双涡结构。其形成取决于三角翼前缘附近三维分离产生的自由剪切层强度和涡轴方向的速度分量之间的大小关系。一般而言,当涡轴的速度大到足以将剪切层涡量带走时,在机翼前缘常常会表现为单涡结构;反之将导致剪切层分叉,由此形成双涡结构。     

高速压气机叶栅旋涡结构及其流动损失研究

为揭示高亚声速来流条件下压气机叶栅内部流动特性,对高速压气机叶栅通道内旋涡结构和流动损失的产生与演变规律进行研究。首先建立了数值仿真模型并用实验验证,然后详细研究了叶栅通道内主要旋涡结构、拓扑规律和旋涡模型,最后分析了叶栅通道内流动损失与旋涡结构的内在联系。高速压气机叶栅通道内主要存在马蹄涡、端壁展向涡、通道涡、壁角涡、壁面涡、集中脱落涡和尾缘脱落涡7个集中涡系,通道涡由端壁来流附面层中发展而来,是角区复杂旋涡结构的主要诱因;攻角由0°增大为4°,通道涡的涡核更早地脱落端壁附面层向角区发展,但对角区流动的影响减弱,叶片尾缘未形成明显的集中脱落涡。伴随着集中脱落涡的消失,叶栅固壁面拓扑结构中,叶片尾缘吸力面上没有出现与集中脱落涡对应的分离螺旋点,并且与叶中脱落涡层相对应的分离线和再附线消失,尾缘脱落涡仅包含近端区的一个分支。由总压损失沿流向和展向的变化规律,叶栅通道流动损失主要来源于角区复杂旋涡结构引起的强剪切作用,近端壁区的总压损失与角区主要涡系结构的生成和发展密切相关;攻角由0°增大至4°,角区旋涡的影响能力变弱,近端区流动损失减小,与叶中部位总压损失的差异缩小。     

动态尾涡间隔计算工具的开发与实现

基于建立的尾涡消散模型、运动模型、遭遇模型,以Delphi 7.0为平台,采用面向对象的设计思想,开发了动态尾涡间隔计算工具,包括前机诱导尾涡流场计算、后机遭遇响应过程分析、安全间隔计算等功能模块。根据输入的飞机参数、气象数据、机场数据,实现对尾涡间隔的实时、高效计算。基于开发的计算工具,以B777-200和B737-800为前后机进行了验证计算。