尾迹对低压涡轮吸力面附面层流动的影响

为研究尾迹对低压涡轮叶片吸力面附面层流动特性与转捩过程的影响,利用商用CFX软件进行数值模拟,并辅以试验校核。着眼于附面层瞬态分析,在1个尾迹扫掠周期内,对吸力面附面层内Klebanoff条纹、KH结构、涡等瞬态结构进行研究。结果表明：在尾迹间歇期,尾迹诱导湍流区和抑制区仍在影响叶片尾缘附面层的发展,分离泡在抑制区上游重新生成;尾迹接触叶片前缘后,产生尾迹放大Klebanoff条纹,其前缘以88%的主流速度向下游运动,随后尾迹接触附面层并与分离泡作用,触发剪切层的KH不稳定性形成全展向KH卷起涡,而尾迹诱导转捩起到了抑制分离泡的作用;尾迹放大Klebanoff条纹将追赶并冲击全展向KH卷起涡,使其崩溃为局部KH涡并最终破裂成全湍流。     

非设计状态下尾迹输运对高负荷低压涡轮附面层的影响

为了研究非设计状态下的上游尾迹在叶栅通道内的形态演化与发展,分析尾迹与叶片吸力面附面层的相互作用,基于高负荷低压涡轮(LPT)叶型Packb对非设计状态下尾迹输运进行了研究。研究主要通过数值模拟的方法进行,使用CFX软件,利用LES模型耦合Smagorinsky亚格子模型。讨论了非定常来流0°和+10°攻角工况下,尾迹与吸力面附面层相互作用的差异。分析发现,+10°攻角工况时,尾迹对附面层转捩的促进作用较0°攻角工况时更为显著;+10°攻角工况时,尾迹与附面层的相互作用时间更长,尾迹诱导转捩的起始位置更靠上游。     

来流条件对超高负荷低压涡轮附面层非定常特性影响的实验研究

为深入探索尾迹与附面层的相互作用机理及其对叶型损失的影响,对IET-LPTA后加载超高负荷低压涡轮叶型的定常与非定常气动特性进行了实验研究。实验在低速二维叶栅风洞上进行,该风洞通过上游辐条对尾迹进行模拟,采用热线探针与三孔气动探针作为测试手段。实验发现上游尾迹在低Re状态下对吸力面分离具有较强的抑制作用,可以降低叶型损失。同时研究了不同雷诺数(Re)与来流湍流度(FSTI)对上游尾迹与附面层相互作用机理的影响,发现Re对叶型损失的影响是单向有利的,发现FSTI对叶型损失的影响是双向的。     

尾迹扫掠下超高负荷低压涡轮叶片附面层特性

利用表面热膜测量上游尾迹周期性扫掠下某超高负荷低压涡轮叶片吸力面附面层的非定常流动特性.通过热膜测得的准壁面剪切力及其统计参数云图分析了尾迹与附面层的相互作用对分离、转捩及再附过程的影响.实验结果表明:对于低雷诺数Re超高负荷产生较大分离泡的情形,尾迹扫掠对涡轮叶片附面层的发展具有显著影响,能够有效地抑制附面层的流动分离.      

正攻角状态下尾迹对低压涡轮附面层的渗透及转捩的影响

为研究正攻角状态下尾迹对低压涡轮附面层的渗透以及转捩过程的影响,分别在设计攻角和+10°攻角下,对高负荷低压涡轮叶型的吸力面附面层流动进行了数值模拟与实验。数值模拟使用CFX软件,采用大涡模拟模型。结果表明+10°攻角下,尾迹对附面层转捩过程的促进作用比设计攻角下更为显著,这是由于正攻角下的尾迹中心射流与吸力面切向的夹角更大,使得尾迹扰动渗透入附面层的深度更深,尾迹放大Klebanoff条纹强度更强,尾迹诱导转捩起始位置更靠上游。     

基于表面粗糙度的超高负荷低压涡轮叶片附面层控制

实验研究了表面粗糙度对PACKD-A低压涡轮叶型损失及附面层特性的影响.实验分别在定常来流与非定常条件下进行,非定常条件下的上游尾迹通过运动的圆棒来模拟.粗糙叶片通过在光洁叶片表面切槽,埋入砂纸制作成型.叶型损失与吸力面载荷使用气动探针与壁面静压孔结合压差传感器来测量,附面层流场使用热线探针来测量.结果表明:覆盖5.2%吸力面弦长(起始于44.3%吸力面弦长,终止于49.5%吸力面弦长),粗糙高度为8.82μm的控制方案在非定常条件下效果最佳,该方案可在整个考察雷诺数范围内(3×104~12×104)降低叶型损失;覆盖19.5%吸力面弦长(起始于30%吸力面弦长,终止于49.5%吸力面弦长),粗糙高度为20.91μm的控制方案在定常条件下效果最佳,该方案可在低雷诺数范围内(小于8×104)降低叶型损失、扩大叶型正常工作雷诺数范围,但在高雷诺数下(大于8×104),却带来了一定的额外损失.      

尾迹对低压涡轮边界层稳定性的影响

在低压涡轮内部上游周期性扫过的尾迹是下游叶片排内最重要的非定常扰动源,会对边界层的失稳和转捩过程产生决定性的影响.在施加低压涡轮负荷分布的平板上,采用热线对雷诺数为130000工况下,有/无尾迹作用时分离剪切层中的速度波动进行了测量.通过对比两种工况下分离剪切层中的扰动发展,分析了尾迹对分离泡稳定性的影响.结果表明:在无尾迹来流工况下,扰动在分离泡前部的增长符合线性不稳定机制,扰动增长至饱和后非线性机制开始起作用.主导分离剪切层的失稳过程的为K-H(Kelvin-Helmholtz)无黏不稳定机制.尾迹与分离剪切层的相互作用产生的扰动的增长在分离泡前部同样满足线性不稳定机制.尾迹加速了分离剪切层的失稳转捩进程,从而抑制了分离.      

超高负荷低压涡轮非定常特性实验

针对某后加载超高负荷低压涡轮叶型的定常与非定常气动特性进行了实验研究.结果表明:由于上游尾迹的作用,在低来流雷诺数与来流湍流度下,尾迹诱导转捩叠加自然转捩可以抑制分离、降低叶型损失.在一个尾迹通过周期,由于尾迹诱导转捩的作用,附面层分离周期性地放大、缩小.同时在吸力面速度峰值点下游观测到了尾迹被割裂为两部分的现象,形成了一个主尾迹与一个副尾迹.副尾迹同样可以诱导转捩,但强度较低,对分离抑制效果有限.      

上游尾迹入射角对压气机叶片负荷的影响

压气机叶片负荷的提高使得叶片表面边界层更容易分离,利用上游叶排产生的非定常尾迹能够抑制边界层分离.运动圆柱代替上游转子,在保证下游叶片进气速度大小及攻角不变的情况下,改变圆柱运动速度以获得上游尾迹与下游静叶吸力面不同的夹角,发现在低负荷小分离情况下静叶损失系数与上游尾迹入射角无关;高负荷大分离情况下静叶损失系数随上游尾迹入射角的增加而降低.分析尾迹作用下高负荷静叶通道内流场,当进入静叶通道的尾迹与叶片吸力面近似平行时,尾迹诱导边界层增厚.使得叶片表面分离泡随时间大幅值脉动,损失增加;当尾迹与叶片吸力面的角度逐渐垂直时,尾迹抑制了边界层分离,同时叶片表面分离泡位置近似不变,其原因是尾迹以负射流形式进入边界层内部,补充了边界层内部低能流体,使得损失减小.      

尾迹/势流干扰对跨声速风扇静叶附面层流动影响的数值研究

为揭示尾迹/势流干扰下压气机静叶附面层的非定常流动机理,采用数值方法对单级高负荷跨声速风扇中径处的非定常流场进行模拟,针对尾迹/势流干扰下的静叶附面层非定常流动特征进行研究。基于尾迹/势流与叶片附面层干扰模型,通过叶片壁面摩擦力、近壁面附面层湍动能和壁面静压脉动,详细分析了尾迹和势流干扰下尾迹对高负荷静叶附面层流动状态的影响。研究发现:在非定常条件下,尾迹干扰能够"刺穿"静叶附面层,使得静叶附面层发生跨越转捩现象。尾迹和受其诱导的势流碰撞静叶前缘产生的压力扰动波在压力面附面层内以声速传播,影响压力面整个弦长的静压和摩擦力分布,而在吸力面上,扰动波的传播仅局限在前缘区域部分弦长上,吸力面和压力面传播现象不同与逆压梯度和曲面凸、凹形状相关。     

热膜测试技术在涡轮叶栅边界层测量中的应用

为了更加精确地测量附面层流动状态,并验证表面热膜测试技术的可靠性,利用表面热膜测量了低雷诺数定常来流条件下高负荷涡轮叶栅通道内叶片吸力面附面层的流动状态,并与表面静压实验测得结果进行对比。结果表明,利用表面热膜测得的准壁面剪切力以及相关的统计参数能够准确捕捉到附面层分离泡和转捩的位置,对于高负荷低压涡轮叶型附面层流动测量是可靠有效的。     

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。     

尾迹对低压涡轮端区非定常流动影响的数值研究

为提高尾迹对涡轮端区二次流影响的认识,利用尾迹降低端区损失,采用了数值模拟的方法对T106A非定常工况下的叶栅流动进行模拟,辅以实验进行校核。以上游尾迹对端区附面层的抬升作用和上游尾迹对叶栅通道前部涡系结构的破坏作用为切入点,分析尾迹对端区二次流非定常发展过程的影响。研究发现尾迹中心离开叶栅通道时,尾迹对叶栅端区二次流起抑制作用;当尾迹尾部离开叶栅通道时,尾迹卷起的轮毂附面层激励了端区二次流,使二次流更加活跃。     

超高负荷低压涡轮叶型边界层被动控制

应用商用流体计算软件求解定常雷诺平均N-S方程组耦合Lantry-Menter转捩模型,对来流湍流度1.5%,不同进口雷诺数下,前加载超高负荷低压涡轮叶型进行了数值模拟。在与相关实验数据对比的基础上,研究了三种被动控制方式的控制效果与控制机理。结果表明:弧形凹槽的最佳开槽位置在分离点,最佳深宽比为0.15,表面拌线和矩形条的最佳加载位置在速度峰值点与分离点的中点;控制方式能否有效与其增加的掺混损失和减少的分离损失有关;三种控制方式均通过产生小漩涡来增加低能流体与高能流体之间的交换,从而加速转捩减小分离泡降低叶型损失。     

粗糙度对超高负荷低压涡轮边界层影响

基于IET-LPTA叶型研究了被动控制中的粗糙度对分离转捩的影响,以寻求一种优化的粗糙度布置方式来减小叶型损失。研究以CFX数值模拟为主,对数值结果进行试验验证。主要考察了不同粗糙高度及不同粗糙度布置位置对叶型损失的影响,提出了变粗糙高度的优化布置方案,并使用间歇因子、位移厚度、动量厚度、形状因子、湍流度等特征参数分析了粗糙度控制分离的机理。研究发现粗糙度对减小叶型损失,推迟开式分离泡的出现有显著作用,同时变粗糙高度结合前缘至转捩点的布置方式能够更好地抑制分离,减小叶型损失。     

尾迹对涡轮叶栅边界层转捩的影响

为研究周期性尾迹对下游涡轮叶栅边界层转捩的影响机理,并验证γ-Reθ转捩模型在非定常计算中的适用性,在自行开发的CFD程序上实现了该模型,对带有尾迹发生器的T106D-EIZ涡轮叶栅进行数值模拟;对比分析了实验数据与数值模拟的结果,并对流动机理进行阐述。主要结论如下:γ-Reθ转捩模型对周期性尾迹影响下的边界层转捩预测得较为准确,转捩位置随时间的变化规律及幅值均与实验值符合得很好;尾迹的时均作用是使吸力面转捩位置向尾缘移动,相比于无尾迹情况其移动距离约为5%轴向弦长;尾迹使吸力面阻力系数时均值较无尾迹情况增加约40%,同时减弱了分离泡的强度,但对分离泡的位置影响不大。     

空心气冷低压涡轮动叶气热耦合数值模拟

以空心气冷低压涡轮动叶为研究对象,采用高质量的流体域和固体域网格控制技术,带转捩模型的双方程SST湍流模型,开展了基于CFD方法的叶片气热耦合问题研究。获得了不同冷气流量比(分别为1.0%,1.38%,1.8%和2.2%)、温比(分别为2.1,2.25,2.3,2.4和2.5)和压比(分别为1.4,1.6和1.8)对叶片换热特性的影响规律,设计状态中截面按弧长平均的叶片壁面金属温度计算值较试验值偏小0.3%,气热耦合计算的叶片壁面温度分布与试验结果吻合良好,验证了气热强耦合计算方法的精度,为涡轮叶片温度场分析提供了一种有效的方法。