风扇／压气机进口畸变问题数值研究进展

现代航空发动机的非常规机动性和超音速机动性使风扇／压气机经常工作在非均匀的进口条件下,研究进口流场畸变对其内部流场及性能的影响对改善发动机的经济性和可靠性以及提高抗畸变能力具有重要的理论意义和工程应用价值。自20世纪50年代以来,进口总压畸变问题的数值研究不断发展进步,很多模型被提出并验证。较全面地介绍了国内外进口畸变问题的数值研究方法的发展,并对各模型的特点和应用范围进行了分析和对比．得出在硬件允许的情况下,采用全流道非定常数值模拟可以更准确地刻画流动的周向特性和内部流场结构,有利于细致研究畸变流场的内部流动机理。     

180°弯管与离心压气机蜗壳的耦合作用分析

离心压气机进气弯管与蜗壳非对称结构在周向上的相对位置会使压气机性能发生变化,为了明确引起压气机性能发生改变的原因,给弯管安装方式的选择及压气机的设计提供理论指导,采用实验和计算相结合的方法,研究了带有直管和不同周向安装位置的180°弯管进气方式的离心压气机工作特性及内部流动特性。结果表明:改变弯管与蜗壳非对称结构在周向上的相对位置,弯管出口流场畸变区域在周向上的位置会发生变化,从而改变了其与叶轮出口畸变流场的耦合作用效果,因此压气机性能发生变化。两种畸变流场间的相互作用会影响叶轮内部流场的周向均匀程度。当弯管出口低静压区域与叶轮出口高静压区域作用于相同叶片槽道进出口时,叶轮内部流场周向上的分布最不均匀,在这种情况下的压气机性能低于其他弯管安装角度下的压气机性能。为了保证安装弯管后离心压气机性能相对直管进气的下降程度不超过3%,应该使弯管出口高静压区域与叶轮出口高静压区域施加于相同叶片槽道。基于上述原则,确定了压气机效率下降较小的弯管安装周向位置的选择范围。     

进口总压径向畸变对离心压气机性能的影响

本文介绍了进口总压径向畸变对某离心压气机性能影响的试验研究。通过试验录取了进口有/无畸变时离心压气机的性能,并对试验结果进行了对比和分析,讨论了进口总压径向畸变对离心压气机性能的影响。     

旋转进口畸变频率对跨声速压气机稳定性影响的数值研究

为了研究旋转进口畸变对于压气机失速过程的影响,以及探讨最易诱发压气机失速的扰动频率即特征频率存在性的问题,采用非定常方法计算研究了4种不同频率的进口旋转畸变对跨声压气机Rot or37失速起始过程的影响。结果表明:在同样幅值条件下,当旋转频率与失速扰动频率相近时的畸变会引起失速,反之亦然;进口畸变的低压区引起部分叶片通道内流动结构失稳后,在叶尖泄漏涡破碎的作用下通道内形成严重堵塞,从而导致压气机失速。该方法能够较好地描述转子中失速团的发展过程,同时得出了进口畸变频率对失速过程影响的物理机制。     

总压进气畸变对压气机转子气动影响的数值模拟

对压气机转子Rotor37在总压畸变进口条件下的流场进行了三维数值模拟.分别计算了整周1@120b, 2@60b, 4@30b三种低压入口条件下的特性参数, 详细分析了总压畸变对转子流场参数的影响, 并比较了三种低压入口时的转子特性.计算结果表明:周向总压畸变会引起入口参数分布的不均匀, 在转子出口处产生总温畸变.相同整周畸变角度, 随着畸变区域个数的增加转子流量降低, 效率下降, 稳定裕度增加.稳定边界压比仅与每个畸变区的大小有关, 随着畸变区扇形角的增加, 稳定边界压比损失增加.      

进口畸变下非定常数值模拟进口边界数学模型

进口畸变下压气机内存在的不同空间和时间尺度的非定常流动之间的相互作用是进口畸变对压气机性能影响的重要流动机理.介绍了一种用于周向进口总压畸变下单转子通道内非定常数值模拟的进口边界简化模型,并基于该模型进行了三维非定常数值模拟.数值模拟结果显示了进口周向总压畸变的大尺度总压脉动和压气机转子通道非定常分离流场的相互作用过程.该模型为周向进口畸变的三维非定常数值模拟提出了一种简化方法.      

压气机进气畸变诱导叶片振动数值研究

介绍了一种考察进气畸变对压气机叶片振动及结构强度影响的流固耦合分析方法。对压气机进行全周数值模拟分析进气总压畸变下转子流场的非定常响应;并结合有限元模型分析叶片模态及振动响应,通过气动模型与结构模型的不断信息迭代实现叶片振动过程的模拟。分析表明,周向总压畸变会引起叶片气动力在周向分布的不均匀及叶片应力波动,导致压气机叶片振动,对其结构稳定性产生重要影响。     

进口管道对离心压气机性能影响的数值模拟

用数值模拟研究了不同进口管道对离心压气机性能的影响.计算模型包括进口管道、离心叶轮、无叶扩压器、蜗壳和出口管道.计算结果表明, 不同的进口管道导致离心压气机的实际性能曲线明显变化.当进口管道较长和直径较小时, 其对应的压比和效率较低, 堵塞流量较小, 这是因为进口管道改变了进口处的攻角条件.如果比较压气机的折合性能, 则进口管道的影响相对较小, 但当进口管道较长以及直径较小时, 对应的折合堵塞流量仍然较小.      

压气机进口档板动态畸变流场参数分析

对某型发动机压气机进口档板动态畸变流场数据进行了研究。分析了流场稳态总压、总压脉动强度和涡旋尺度随档板插入深度、压气机流量的变化规律,以及各动态参数之间的相对变化特点;初步探讨了涡旋尺度、总压脉动强度、综合畸变指数和压气机喘振裕度损失等性能参数变化的关系,获得了有价值的试验研究数据结果。     

多扇平行压气机模型在压气机稳态畸变流场计算中的应用

描述了一个轴流压气机在进口稳态畸变条件下流场计算的方法。借助多扇平行压气机模型,采用流线曲率法,求解完全径向平衡方程,计算压气机内各叶排进出口气流参数的分布,从而得出压气机在进口畸变条件下流场的详细情况。以一台单级压气机为例,进行了进口总压、总温和气流角周向畸变条件下的流场计算,证明其结果是合理的。     

压气机进气畸变数值模拟技术研究

发展了一种针对进气畸变条件下的风扇/压气机进行性能预估和稳定性分析的计算方法。首先研究了将叶片作用力简化为体积力源项的建模方法,在此基础上开发出一套基于体积力的三维进气畸变数值模拟程序,使用该程序对NASA Rotor 35在均匀进气、进口存在稳态总压畸变及同时存在总压和总温畸变的流场进行了模拟分析。结果表明,该程序获得的压气机特性及参数分布与雷诺平均Navier-Stokes(RANS)计算吻合得很好,同时正确地模拟出了压气机转子与上游畸变来流的耦合作用及其对压气机性能和稳定工作裕度的影响。     

Numerical Investigation of Inlet Distortion on an Axial Flow Compressor Rotor with Circumferential Groove Casing Treatment

On the base of an assumed steady inlet circumferential total pressure distortion, three-dimensional time-dependent numerical simulations are conducted on an axial flow subsonic compressor rotor. The performances and flow fields of a compressor rotor, either casing treated or untreated, are investigated in detail either with or without inlet pressure distortion. Results show that the circumferential groove casing treatment can expand the operating range of the compressor rotor either with or without inlet pressure distortion at the expense of a drop in peak isentropic efficiency. The casing treatment is capable of weakening or even removing the tip leakage vortex effectively either with or without inlet distortion. In clean inlet circumstances, the enhancement and forward movement of tip leakage vortex cause the untreated compressor rotor to stall. By contrast, with circumferential groove casing, the serious flow separation on the suction surface leads to aerodynamic stalling eventually. In the presence of inlet pressure distortion, the blade loading changes from passage to passage as the distorted inflow sector is traversed. Similar to the clean inlet circumstances, with a smooth wall casing, the enhancement and forward movement of tip leakage vortex are still the main factors which lead to the compressor rotor stalling eventually. When the rotor works trader near stall conditions, the blockage resulting from the tip leakage vortex in all the passages is very serious. Especially in several passages, flow-spillage is observed. Compared to the clean inlet circumstances, circumferential groove casing treatment can also eliminate the low energy zone in the outer end wall region effectively.     

分流叶片轮缘进口角对离心压气机性能影响数值仿真

为了研究分流叶片轮缘进口角的变化对离心压气机级性能的影响,以某小型模型级离心压气机为研究对象,利用数值仿真软件对流场进行了全3维模拟,重点分析其内部流场结构的变化。数值仿真结果表明:分流叶片轮缘进口角对离心压气机性能影响明显,其角度的增加使离心压气机的压比和效率提高,但会缩小离心压气机的稳定工作范围。     

航空发动机进气总压周向畸变数值模拟

开发了一种用于计算进气总压周向畸变对涡喷/涡扇发动机气动稳定性和主要性能参数影响的软件。该软件利用综合畸变指数来描述进气畸变,实现了以往只有通过畸变试验才能进行的对进气畸变的研究。     

进口畸变条件下轴流压气机转子内流的PIV研究

用50%堵塞比的插板畸变屏模拟低速轴流压气机进口流场畸变,用PIV(粒子图像速度场仪,ParticleImageVelocimetry)技术测量均匀和畸变进气条件下压气机转子叶片通道内的流场结构。实验表明,进气畸变条件下压气机流场在转子叶片通道内不同的周向位置会产生四种不同的流动结构状态,同时,进气畸变大大增加了漩涡扰动、流动亏损和转子叶排气流分离的强度,这样必然会对压气机的性能产生很大的影响。实验也验证了经典平行压气机理论的缺陷。      

离心叶轮与扩压器相互干扰数值模拟

采用定常与非定常数值模拟方法,对某小型离心压气机进行数值计算,首先比较了定常结果与非定常时均结果的特性;然后结合离心叶轮出口和径向扩压器进口典型位置非定常压力脉动的频域特性,研究了离心叶轮与扩压器之间的转静干涉作用;最后着重分析了离心叶轮带与不带分流叶片对径向扩压器进口压力脉动频率特性的影响。结果表明:在相同流量下,非定常时均结果的压比偏高约3.7%,效率偏高0.1%;在带有分流叶片的离心压气机中,离心叶轮叶片出口与扩压器叶片进口的脉动除了叶片通过频率的非定常脉动外,分流叶片尾缘会产生与之强度相当的2倍叶片通过频率的非定常压力脉动。同时,分流叶片会对径向扩压器进口产生更强的0.5倍叶片通过频率非定常压力脉动,这些频率的非定常压力脉动很可能会对离心压气机叶片的疲劳强度造成影响。     

进口畸变对轴流压气机流场影响的全通道数值研究

采用全通道非定常数值模拟方法研究了进口畸变对亚声速轴流压气机性能及流场的影响,数值模拟中通过在进口径向段设置栏杆的方式产生畸变,非定常数值计算结果表明进口总压畸变后降低了压气机转子的性能,失速裕度减小了3.1％.通过详细地分析压气机进口延伸段及内部流场表明,畸变后在转子上游进口环面上出现低值进气角区,促使部分通道叶顶吸力面附面层分离起始位置靠前,造成通道内堵塞严重,并使叶顶间隙泄漏流在更高叶展前缘处溢流到相邻叶片通道进而诱发转子失速,进口均匀时压气机失速主要是由叶顶间隙泄漏流引起的堵塞造成.