气膜冷却对激波与边界层相互作用影响的数值模拟

针对跨声速平面叶栅中气膜冷却对流场的影响,采用数值模拟的方法,分析了激波和边界层的相互作用及引入气膜冷却之后三者之间的影响。结果表明,由于激波形成的逆压力梯度导致边界层出现分离现象,在引入冷却射流以后被部分抑制,流场细节显示在原分离处新形成了两个方向相反的分离旋涡。保持冷却条件不变,随着孔间距的减小,边界层分离现象被抑制的效果更加明显,平面叶栅热力损失系数逐渐减小。当孔径和孔间距之比达到0.67时,相对于没有引入气膜冷却的情况,热力损失系数降低了13%。冷气流量对射流和主流相互作用流场影响显著,冷气出口局部超声速区域显著增大流场损失,降低冷却效果。     

不同位置冷气喷射的试验研究和数值分析

随着涡轮进口温度的提高．采用高效气膜冷却降低叶片表面温度成为涡轮设计的主要目标之一。本文采用接近真实条件下的冷气参数,在高速风洞中进行了在叶身不同位置的冷气喷射试验,并对试验结果采用CFD软件进行了数值模拟,分析了不同冷气位置、不同冷气喷射对叶栅总损失的影响。分析了冷气喷射流场的结构,数值模拟的总体性能参数与试验结果基本一致。     

冷气射流对航空发动机涡轮气动损失的影响

为了研究不同射流环境对航空发动机涡轮叶片气动损失的影响，采用数值模拟的研究方法，分别考虑压力面与吸力面2 种气膜冷却打孔方案，总结在不同吹风比条件下叶栅通道内部流场环境特点，以及不同流场环境下叶栅损失的变化规律。结果表 明：叶栅通道内部气膜冷却射流环境分为低动能比射流环境（动能比小于1）与高动能比射流环境（动能比大于1），这2种射流环境 的边界层、叶栅出口二次流损失、动能亏损情况以及叶栅出口的总压损失系数有不同的变化特点：在低动能比环境下，冷气射流会 贴附壁面流动，进而影响边界层；在高动能比环境下，冷气射流直接与主流掺混。吸力面的冷气射流对叶栅气动损失有较大影响， 当射流动能较大时，使叶栅总压损失变化50%以上；而压力面的冷气射流对叶栅气动损失影响很小，经过计算，压力面的冷气射流 仅使叶栅总压损失系数最大变化0.64%。     

超声速涡轮叶栅超声速气膜冷却数值研究

为了研究超声速涡轮叶栅通道内的超声速气膜冷却,采用数值计算的方法,对主流压比2.33~4、冷气入射角度15°~45°条件下的涡轮叶栅超声速气膜流动和传热进行了研究。计算结果表明:超声速气膜射流与主流作用后产生的斜激波与尾缘激波交汇,形成两道反射激波,其中一道反射激波作用在气膜孔下游的叶片表面又形成了反射;在不同的主流压力下,超声速气膜射流在叶片法向和展向上展现出不同的发展特征,对转涡对(CVP)在展向上相互挤压,扼制了高温主流卷入叶片壁面;主流压比增加到4,气膜射流区在法向拉长,在展向相对较弱,导致主流在对转涡对(CVP)的作用下被卷入气膜射流的底层,壁面冷却效率降低;气膜入射角从15°增大到45°,冷却效率整体上呈先上升后下降趋势,在入射角30°时冷却效率相对最大,这与射流的穿透能力、冷却气流再覆壁面特征有关。     

气冷涡轮前缘冷气射流角度优化研究

为了研究复合角度的圆形气膜孔对涡轮叶片冷却效果和气动性能的影响,利用SST的k-ω模型对涡轮叶栅进行数值模拟,对前缘区域冷却孔进行复合角度优化设计,给出前缘滞止线附近和吸力面改型前后的冷却特性分析。结果表明圆形气膜孔的复合角度对冷却和气动的影响明显,在前缘压力面,侧向角分别为85°,60°和45°,冷气在前缘处改变滞止点的位置,切向速度增大,冷却效果显著增强。在前缘吸力面上,冷却孔的入射角从45°变为30°,侧向角由-15°改为0°和30°,冷气与主流掺混减弱,壁面冷却效率增大,同时影响近壁面的主流从而改变流场结构。     

考虑冷气掺混的涡轮气动性能数值研究

采用数值求解雷诺平均N-S方程的方法,数值模拟了带冷气掺混的涡轮内部全三维黏性流场,研究了冷气掺混对涡轮流动损失和气动性能的影响。数值计算结果表明,对于具有单排孔冷气入射的气膜冷却情况,当入射角是30°时,随着冷气流量增加,流动损失减小;而对于多排气膜孔冷气入射,各排气膜孔冷气之间的干扰是引起流动损失的主要原因,对不同位置冷气流量的优化选择,可以明显减小前后排冷气的掺混损失。为了降低冷气掺混的流动损失,基于数值实验的结果,本文首次引入了叶片表面气膜孔沿径向交错排列结构。     

吸力面不同吹风比切向冷气喷射对跨声速涡轮叶栅气动性能的影响

为进一步探究跨声速涡轮中吸力面切向冷气喷射对叶栅气动性能及气膜冷却效果的影响,以跨声速涡轮叶栅作为研究对象,采用数值模拟方法,通过在叶片吸力面不同位置开设切向冷气喷射槽,进行不同吹风比下的冷气喷射,对跨声速气冷涡轮叶栅的总体性能以及流场细节进行了详细研究。研究结果表明,吸力面切向冷气喷射有利于减小跨声速涡轮叶栅激波损失,叶栅最大马赫数可减小0.104;切向冷气喷射槽位于尾缘内伸激波反射点上游,且吹风比处于0.75～1.00内时,叶栅能量损失最小;吹风比的增大有利于减小甚至消除冷气槽内分离泡,并能够减小唇部激波强度。     

航空燃气涡轮冷气掺混流动损失的数值研究

采用理论分析的研究方法,对不同冷气掺混形式造成的涡轮气动性能的变化进行了数值计算研究。针对气膜冷却所造成的流动损失,采用修正的Ito等压混合模型;而针对尾缘冷气喷射所造成的流动损失,则采用了修正的Schoberi流动损失模型。对于不同的冷却方式,假定它们之间对主流造成的流动损失是相互独立。以某高压涡轮导向器作为研究对象,分析了各种冷气参数和几何参数对冷气掺混过程的影响规律。研究结果表明,涡轮叶片气冷过程引起的叶栅总压损失随冷气入射角度、吹气比、混合层厚度的变化而显著变化,通过优化设计可以使气冷过程造成的流动损失最小。     

涡轮叶片吸力面上收敛缝形孔气膜冷却对叶栅气动损失的影响

 运用RNG湍流模型对具有气膜冷却的涡轮叶栅通道内部的三维流场进行了数值模拟,分析在叶栅通道主流入口雷诺数Re=4×105~6×105和二次流吹风比M=0.5~3.0范围内,沿吸力面3个典型弦向位置处(分别对应叶栅通道喉部上游、喉部和喉部下游)开设收敛缝形孔对叶栅通道损失系数的影响。计算结果表明：冷气喷射仅对孔附近区域的压力系数产生影响;位于喉部上游位置收敛缝形孔的能量损失及总压损失系数最低,大部分工况中位于喉部下游位置收敛缝形孔的损失系数最高;与圆形孔相比,位于喉部上游位置收敛缝形孔既具有好的冷却效率又具有低的损失系数。     

带尾缘劈缝冷气喷射的涡轮叶栅性能实验及计算

通过平面叶栅实验和CFD数值计算方法,研究了叶片尾缘全劈缝冷气喷射下涡轮叶栅流场和气动性能。试验和计算发现,在冷气喷射条件下用不同损失系数描述涡轮叶栅性能,结论明显不同,用考虑冷气能量的能量损失系数评价气冷涡轮叶栅性能较为准确和客观。在较小的冷气流量下,劈缝冷气喷射使叶栅能量损失降低,尾缘劈缝冷气喷射可改善近尾迹区域的流动,减小尾迹亏损,降低尾迹掺混损失。尾缘劈缝冷气射流方向偏向叶片某型面,则尾迹损失峰值朝此型面偏移。     

不同高度端壁翼刀对压气机叶栅二次流影响的数值模拟

对CDA常规直叶栅和三种具有不同高度端壁翼刀压气机叶栅内三维粘性流场进行了数值模拟。计算结果表明,翼刀偏向吸力面一侧上方有反向翼刀涡产生;随着翼刀高度增加,对横向流动的阻断作用增强的同时,翼刀周围损失有所增加;1/3附面层厚度为加装翼刀的最佳翼刀高度,可使叶栅损失降低9%。实验与计算结果吻合较好。      

涡轮叶片来流角扰动不确定性量化分析

为了高效精确量化来流条件变化对涡轮叶片性能的影响,发展了一种基于自适应抽样技术的非嵌入式多项式混沌(NIPC)模型,并通过函数试验对自适应NIPC模型进行了验证。在不同尺度来流角变化下,用该模型量化涡轮叶栅能量损失系数的不确定性变化,同时与直接蒙特卡洛模拟和灵敏度分析进行对比。通过流场统计分析揭示来流角变化对气动不确定性的影响机理。结果表明:自适应NIPC在不同尺度来流角扰动下均能快速准确量化能量损失系数变化;能量损失系数不确定性变化对来流角扰动是非线性依赖关系;叶片通道内的激波对来流角变化最为敏感,是引起能量损失系数不确定性变化的主要因素。     

小高径比扰流柱冷却通道的换热和流动特性

采用数值模拟的方法,对涡轮叶片尾缘处圆形小高径比扰流柱冷却通道的换热和流动特性进行了研究,分析进口雷诺数和扰流柱间距对冷却通道换热和流动特性的作用过程.结果表明:进口雷诺数的提高能够有效改善冷却通道端壁的换热性能,但这种改善能力随着进口雷诺数的提高而逐渐减弱,同时降低冷却通道的压力损失系数.在两种扰流柱间距中,流向间距是影响端壁换热性能的主要因素,随着流向间距的减小,冷却通道换热性能逐渐变好,压力损失系数降低;横向间距是影响冷却通道流动损失的主要因素,两者大小成反比关系.在通道计算中,扰流柱平均换热性能约是端壁平均换热性能的1.8倍,端壁换热权重约是换热面积比0.824倍,同时该权重几乎不受进口雷诺数的影响.      

神经网络模型在压气机通流特性分析中的应用

为了解决通流特性分析程序中原始模型对压气机性能预测精度不足的问题,提高压气机通流特性分析过程的可靠性,基于对大量多圆弧叶栅的数值模拟结果建立了压气机叶栅性能数据库,并以该数据库为依托,采用神经网络建模方法建立了压气机叶栅基准损失系数和基准落后角模型。结果显示:两模型对叶栅基准损失系数和基准落后角的预测精度均满足工程应用要求,其精度分别为±0.002和±1°。在对采用神经网络模型的通流特性分析程序校验过程中发现,其无论对压气机整机性能还是对流动细节的预测精度上都获得了显著提高,尤其是在主流区。此外从压气机整体特性上看,基准损失系数和基准落后角精度的提高对非设计工况损失系数和落后角的预测精度影响是积极的。      

射流襟翼-低压涡轮叶栅主动流动控制数值研究

针对PAK-B低压涡轮叶型,基于耦合了Langtry-Menter转捩模型的Menter's SSTk-ω两方程模型,数值研究了不同流动状态下射流襟翼的流动控制机理.计算结果表明,射流襟翼能够有效控制PAK-B叶型失速流动状态下的损失,当射流流量百分数为2%,能量损失系数较无射流襟翼控制状态时下降40%;同时,气流转折角增大5%;影响并使主流进口质量流量减小10%,对于叶型未失速流动,控制不一定有效.结果还表明,射流襟翼能够推迟相邻叶型吸力面边界层转捩,从而延迟分离流动再附.      

扩展型面排孔气膜冷却的实验

设计了三种型面的气膜孔扩展结构,研究了气膜冷却效率、壁面换热系数及流量系数随吹风比的变化规律.研究结果表明,与典型的圆柱形气膜孔相比,有后向扩展型面的气膜孔具有相对较高的冷却效率和换热系数,流量系数略有降低.扩展型面的流向扩展角对冷却效率和换热系数的影响大于侧向扩展角的影响.侧向扩展角只在特定吹风比下才对提高气膜的侧向覆盖率、进而提高气膜冷却效率起作用,它使得位于二次流出流下游的低压区域范围增大,流量系数减小.      

Influence of coupled boundary layer suction and bowed blade on flow field and performance of a diffusion cascade

Based on the investigation of mid-span local boundary layer suction and positive bowed cascade, a coupled local tailored boundary layer suction and positive bowed blade method is developed to improve the performance of a highly loaded diffusion cascade with less suction slot. The effectiveness of the coupled method under different inlet boundary layers is also investigated.Results show that mid-span local boundary layer suction can effectively remove trailing edge separation, but deteriorate the flow fields near the endwall. The positive bowed cascade is beneficial for reducing open corner separation, but is detrimental to mid-span flow fields. The coupled method can further improve the performance and flow field of the cascade. The mid-span trailing edge separation and open corner separation are eliminated. Compared with linear cascade with suction, the coupled method reduces overall loss of the cascade by 31.4% at most. The mid-span loss of the cascade decreases as the suction coefficient increases, but increases as bow angle increases. The endwall loss increases as the suction coefficient increases. By contrast, the endwall loss decreases significantly as the bow angle increases. The endwall loss of coupled controlled cascade is higher than that of bowed cascade with the same bow angle because of the spanwise inverse ‘‘C" shaped static pressure distribution. Under different inlet boundary layer conditions, the coupled method can also improve the cascade effectively.     

基于端壁涡流发生器的压气机叶栅角区分离控制研究

为研究被动式涡流发生器抑制压气机叶栅横向二次流以控制角区分离的作用,设计了在叶栅内部端壁处加装涡流发生器的控制方案,采用数值模拟的方法,详细分析了叶栅流场特性。结果表明:涡流发生器可以有效地抑制叶栅内部横向二次流,改善角区流动,在最佳控制方案中,总压损失系数下降8.1%;放置于叶栅内部的涡流发生器能阻挡气流的横向流动,其尾部产生的流向涡与横向迁移的端壁附面层相互作用,抑制了通道涡向吸力面的发展,并将主流高能流体卷入角区,增加角区流体动量;涡流发生器的长度和高度都会影响流向涡的强度,流向涡的涡核高度与涡流发生器高度一致,最终的控制效果由涡流发生器的长度和高度共同决定,只有当它们被合理选择,控制方案才能获得最佳控制效果。     

不同长度端壁翼刀对压气机叶栅二次流影响的数值研究

对可控扩散叶型(CDA)常规直叶栅和三种具有不同长度和流向位置的端壁翼刀叶栅内的三维粘性流场进行了数值模拟。结果表明,不同长度端壁翼刀都不同程度上改善了栅内的气流流动状况;较小长度的翼刀所产生的附加损失也较小;反向翼刀涡的产生与流道内横向流动的强弱息息相关。计算结果表明,占据前3/4流道长的翼刀为最佳翼刀。