基于CST方法的高空低雷诺数吸附式叶型耦合优化设计

研究了一种基于类别形状函数变换（CST）方法的吸附式叶型优化设计方法,该方法可以在高空低雷诺数条件下对叶型和抽吸方案耦合优化.结果表明:优化之后在20km高空低雷诺数条件下总压损失降低了65%,静压升提高了0.02,气动性能得到较大提升.而且由于优化过程中罚函数的引入使得优化后吸附式叶型在地面条件下性能也有所提高.对于高空低雷诺数条件下吸附式叶型在抽吸位置之前适当的增加叶型负荷,再通过抽吸来控制附面层,效果最优.并且最佳抽吸位置位于层流分离泡作用区域内.在层流分离泡作用区域内抽吸可以完全消除层流分离泡对叶型性能的影响,并且可以较好控制附面层位移厚度和动量厚度的增加,有效地减小附面层内的动量损失.      

高空低雷诺数吸附式压气机叶型耦合优化设计

为了探究高空低雷诺数条件下吸附式叶型的气动设计特性,利用人工蜂群算法对低雷诺数吸附式叶型进行优化设计,该设计方法可以将叶型和抽吸方案进行耦合优化.并且对高空低雷诺数吸附式叶型耦合优化设计的必要性进行了论证.研究结果表明:在地面条件下设计的具有较好性能的吸附式叶型,在高空低雷诺数条件下,性能有可能会显著下降,针对高空低雷诺数条件的吸附式叶型设计有很大必要性;针对研究对象,在高空低雷诺数条件下优化设计后总压损失降低了32%,静压升提高了0.01,并且优化设计后在地面条件下的性能也略有提升;在高空低雷诺数条件下,适当地增加吸附式叶型前段的负荷,通过抽吸来控制层流分离泡的设计效果最为理想;优化后得到的最佳抽吸位置位于层流分离泡中心区域.      

吸附式压气机叶型及抽吸方案耦合优化设计

为了探索吸附式叶型设计特点,研究了一种将叶型和抽吸方案耦合优化的新型吸附式压气机叶型设计方法。该方法利用人工蜂群算法结合准三维叶栅通道计算程序对吸附式叶型进行耦合优化设计。在进口马赫数为0.7,攻角1.9°的设计工况下,将耦合优化得到的优化设计方案与先优化叶型再优化抽吸方案得到的原始设计方案进行了对比分析,并且对耦合优化前后的设计方案均进行了风洞吹风实验,验证了耦合优化设计方法的准确性和实际应用性。研究结果表明:耦合优化设计之后总压损失降低了27%,负荷提高了2%。适当改变叶型前缘半径,可以推迟附面层转捩位置,减小气流的摩擦损失,使附面层流动更为合理。针对本文的设计工况,更均匀的弯度变化会提高吸附式叶型的设计效果。本文在54%相对弦长处并配合0.75%的抽吸量,可以有效地控制叶型分离,降低抽吸所需要的能量。     

基于人工蜂群算法与NURBS的吸附式叶型优化设计

为提高轴流压气机吸附式叶型优化设计的质量,设计了一套基于人工蜂群(ABC)算法和非均匀有理B样条(NURBS)的自动优化设计系统.对人工蜂群算法的运行机制进行了深入分析,并与目前广泛使用的遗传算法(GA)进行了对比.对比发现人工蜂群算法可以更好地逼近全局最优值且收敛效率提高50%.使用NURBS对叶型进行参数化,并研究了参数化过程中的畸变问题.将抽吸参数与叶栅参数同时作为优化变量,使用该系统对一吸附式叶栅进行了优化.结果显示:抽吸槽设置在58.44%轴向弦长位置处流动损失下降明显,与优化前未抽吸叶型相比流动损失降低64.8%,气流分离得到有效抑制.     

结合吸附技术的对转压气机改型设计

应用附面层抽吸技术和叶型优化设计方法对某双排对转轴流压气机进行了改型设计数值研究,旨在指导下一步的实验研究。近喘点时,原始出口导流叶片(OGV)尖部叶型存在着严重的气流分离现象。优化设计后,气流在叶型前缘加速平缓,通道内回流区所占比例明显降低,OGV 70%叶展以上的总压损失系数平均降低了38.4%,压气机等熵效率提高了0.3%。在转子2(R2)尖部叶型66%弦长轮缘端壁处开设1mm宽抽吸槽,当近喘点的相对质量抽吸量为1%时,R2尖部的负荷水平改善明显,65%叶展以上等熵效率平均提高了10%。尖部流场的改善对于下游OGV产生了积极的效应,速度三角形的重构使轮缘端壁处的角区分离被限制在了很小的范围内,85%叶展以上的总压损失系数平均降低了25%。通过抽吸,压气机等熵效率又获得了0.5%的收益。     

组合抽吸对高负荷压气机叶栅流动分离控制的研究

为了研究组合抽吸对高负荷压气机叶栅内部分离流动控制的效果和机理,以内部同时存在有吸力面附面层分离和角区分离的压气机叶栅为研究对象,利用实验和数值模拟对3种不同的抽吸方案进行了探索。结果表明:附面层抽吸可以显著地改善叶栅性能和攻角特性; 在-5°～8°攻角范围内,吸附式叶栅的叶型损失系数得到了显著的降低,且抽吸量为0.76%时对应的损失系数降幅达到约67%;吸力面局部叶展抽吸方案(SS1)可以有效地消除抽吸叶展附近的分离,结果却导致角区分离面积变大;组合抽吸方案(CS)基本全部消除了叶栅内吸力面上的附面层分离和角区分离,因此全叶展上的负荷和扩压能力得到了显著的提升;不同攻角下损失系数随抽吸流量组合的变化规律不同,大攻角下吸力面上的抽吸控制更能有效地降低叶栅内的损失;进行组合抽吸时,需要针对不同的攻角选择最佳的抽吸流量组合。     

超声速压气机转子叶片吸力面抽气抑制附面层分离的机理

针对压气机叶片在高负荷及非设计工况下经常出现的附面层分离状况, 采用数值方法研究了叶片吸力面不同位置、不同吸气量时附面层抽吸对压气机转子气动性能的影响.数值结果表明:抽吸位置对抽吸效果有重要的影响, 通过在分离区下游一定位置处抽吸, 能够很好的抑制附面层分离, 改善气流在大分离点处的剧烈变化, 减少流动损失, 使得级效率和压比均有显著的提高;而在分离区上游或者分离区下游的较远处开缝抽吸, 则效果不理想.吸气量对抽吸效果也有一定影响, 存在一个最佳吸气量, 吸气量过大或者过小都会对结果产生不利影响.      

附面层抽吸对叶栅角区分离流动的控制研究

为研究附面层抽吸对叶栅角区分离流动的控制效果和机理,以高负荷轴流压气机叶栅为研究对象,基于数值方法深入分析了不同抽吸方案对叶栅角区流场的影响以及叶栅攻角特性随抽吸流量组合的变化规律。结果表明:不同抽吸方案对叶片通道中的分离流动的控制机理不同,进而会影响叶片负荷及扩压能力;将吸力面抽吸与端壁附面层抽吸结合起来的组合抽吸方案基本消除了位于叶栅吸力面的附面层分离和角区分离,叶栅叶型损失系数显著降低,在5°攻角下,当吸力面抽吸量为1.88%,端壁抽吸量为0.82%时,损失系数相较于原叶栅降低约63.8%;并且进一步研究发现各抽吸槽的抽吸流量均存在其最佳临界值;在进行组合抽吸时,应针对不同攻角工况,在其相应的临界值范围内选择合理的抽吸流量,以达到用较小的吸气量实现对叶栅分离流动的控制。     

跨声速叶栅抽吸流、激波以及分离流相干效应

以某高负荷、跨声速压气机叶栅为研究对象,应用数值模拟手段探讨通过抽吸控制激波从而控制附面层发展的可行方法。研究结果表明：随着抽吸量的增加吸力面马赫数峰值提高,激波损失增加,同时使得吸力面马赫数峰值点位置后移,附面层分离减弱,分离的减弱所导致的总压恢复系数增加量要远大于激波强度增加所导致的总压恢复系数减小量;抽吸对叶栅性能改善存在一个最佳抽吸量1.2%;在保证叶栅静压压升不变的前提下,相对于未抽吸条件1.2%抽吸使得叶栅总压恢复系数提高10%,扩散因子降低18%,落后角减小5°;通道激波后实施附面层小流量抽吸不能有效改善附面层内部流动参数,当实现前缘入射斜激波投射点位于通道激波上游时,叶表附面层流动得到较大改善。     

局部/组合抽吸对压气机叶栅分离流动控制的机理研究

为了研究不同抽吸形式对压气机内部分离流动的控制效果和机理,基于数值模拟方法,对内部同时存在角区分离和附面层分离的直列叶栅进行抽吸计算,共设置8套不同的方案进行了详细的探究。结果表明:对于控制分离的效果和机理,不同抽吸形式之间存在着一定差异;在分离发展的不同阶段,实施抽吸对其控制效果也有所不同。近端壁吸力面抽吸方案SS3同时减小了角区分离和近端壁处的尾缘附面层分离,尾部近吸力面沿展向静压分布为正"C"型,使角区内的低能流体向叶中流动,角区流动得到改善,但导致叶展中部流场的恶化;端壁抽吸和全叶高组合抽吸则使尾部近吸力面静压沿展向分布更均匀,低能流体的迁移现象减弱。基于以上结果可得:组合抽吸可以更有效地控制叶栅内部流动分离,降低损失,提高叶栅流通能力。     

可控扩散叶型的扩稳优化

采用正问题方法,将叶型几何参数化、叶型性能分析程序与遗传算法相结合,对某传统可控扩散叶型（CDA）进行叶型损失和攻角范围的综合性能优化设计。结果表明:优化叶型与原叶型具有相近的设计点损失,而其攻角范围由原来的11°增大至17.5°,其中负攻角范围增大了近4.5°。另外,优化叶型的损失随攻角变化也更为平缓,意味着可以在更为宽广的攻角范围内保持稳定的性能。分析表明:吸力面速度峰值位置由原叶型40%弦长处前移至20%弦长处,增加了减速区的长度,使减速更为平缓,是正攻角裕度增大的主要原因。负攻角裕度增加有两方面原因,优化叶型喉道面积增大且喉道位置与设计点吸力峰值位置错开,具有较大的堵塞裕度;压力面前部区域速度较为平缓,甚至略微加速,直至30%弦长后才开始减速扩压,避免了因压力面前缘处的较大速度尖峰以及随后的持续扩压导致附面层的过早分离。      

低雷诺数下吹吸气射流对NACA0012翼型气动性能的影响

基于Favre过滤的大涡模拟方法,对雷诺数Re=10^4,迎角α=6°下的NACA0012翼型上表面吹吸气射流进行了数值模拟,从翼型周围流场流线图、速度场云图、上下表面压力系数曲线以及上表面边界层位移厚度等多角度地分析了射流位置以及速度变化对翼型气动性能的影响。结果表明:射流位置对翼型气动性能影响较大,且吸气射流要明显优于吹气射流。对于吸气射流,前缘吸气要明显优于中后缘吸气,可有效增升减阻,并减小翼型尾部流动分离,抑制翼型气动参数扰动,其最佳吸气位置随着速度的增大逐渐向下游移动;而吹气射流对翼型气动系数的作用效果较差,但中后缘的吹气射流可减小飞行过程中的气动扰动量,且吹气越大,效果越明显。     

压气机跨音速叶栅叶型的数值模拟

以抑制叶型吸力面激波强度、附面层分离,降低叶型损失为目标,对某型压气机跨音速叶栅叶型进行气动优化.运用数值模拟的方法对比研究优化后的叶栅同原型叶栅在相同工况下的气动性能,概述了气动性能产生变化的机理.与优化前对比发现,优化后的叶型具有低损失,工作范围大的特点.     

基于中弧线曲率控制的压气机叶型优化

为提高压气机叶型优化设计水平,基于中弧线曲率控制方法编写了压气机叶片造型程序,将中弧线曲率控制参数作为优化变量,结合粒子群寻优算法对传统可控扩散叶型(CDA)进行了优化研究。结果表明:基于中弧线曲率控制的叶片造型程序能够对CDA叶型进行较好的拟合,拟合叶型的气动性能与设计要求较符。优化叶型在设计点的总压损失降低了约6.34%,优化叶型总压损失随攻角变化较为平缓。在一定攻角范围内,叶型中弧线曲率峰值的前移能够将吸力面马赫数峰值前移,提高叶型吸力面的扩压能力,降低总压损失。在大攻角工况下,改进的中弧线曲率分布能够显著降低叶型总压损失。将中弧线曲率控制参数作为优化变量进行CDA叶型的优化是可行的。     

局部附面层吸除对高负荷扩压叶栅气动性能的影响

实验研究了低速条件下局部附面层吸除对高负荷扩压叶栅气动性能的影响.采用五孔气动探针测量了叶栅出口截面气动参数,并对叶片表面静压进行了测量,详细分析了局部吸气方式、吸气量和吸气位置对叶栅出口截面总压损失和负荷能力的影响.结果表明,采用吸力面两端吸气和中间吸气方式均能够有效吸除叶栅流道内低能流体,增加叶栅的气动负荷,从而提高叶栅的气动性能;采用吸力面两端吸气对叶栅气动性能的改善要优于吸力面中间吸气;叶栅气动性能的改善主要在靠近叶展中部区域,而对角区核心区和端部区域的影响并不明显.      

高负荷吸附式压气机叶栅数值与实验研究

针对无通道激波单纯由强逆压梯度诱导的附面层分离进行了吸附式数值与实验研究.研究对象为某大转折角高负荷吸附式压气机叶栅,利用准三维叶栅通道计算程序（MISES）进行抽吸流场数值模拟,在确定抽吸位置后进行了风洞实验验证.结果表明:抽吸后总压损失系数大幅度降低,对于单纯由强逆压梯度诱导的附面层分离,最佳抽吸位置应该位于附面层分离之后尚未充分发展之处;在确定抽吸位置时可以根据设计状态的分离状况进行;实际中需要的抽吸流量小于计算值;在数值计算中,具体的抽吸模型还有待进一步改进和修正,以使数值模拟更加准确.      

抽吸控制对低雷诺数下翼型分离流动的影响简

 为了系统研究抽吸区域相对于分离点的作用位置、孔间距和孔径对抽吸控制翼型分离流动效果的影响,以NACA0012翼型表面分离流动为基准状态,在其吸力面设计了局部多孔抽吸结构,采用AUSM⁺-up格式、大涡模拟方法和双时间步长（LU-SGS）隐式算法,对低雷诺数下多孔分布式抽吸结构对流动分离的控制效果进行了数值研究。研究结果表明：当抽吸区域位于分离点之后时,抽吸控制效果最好;抽吸系数不仅存在一个下限值以达到快速、有效的控制效果,而且有一个上限值以保证抽吸控制品质因数（FOM）大于1;孔间距和孔径对翼型气动性能的影响较小,但对FOM分布的影响较大。     

抽吸控制对低雷诺数下翼型分离流动的影响

为了系统研究抽吸区域相对于分离点的作用位置、孔间距和孔径对抽吸控制翼型分离流动效果的影响,以NACA0012翼型表面分离流动为基准状态,在其吸力面设计了局部多孔抽吸结构,采用AUSM⁺-up格式、大涡模拟方法和双时间步长（LU-SGS）隐式算法,对低雷诺数下多孔分布式抽吸结构对流动分离的控制效果进行了数值研究。研究结果表明：当抽吸区域位于分离点之后时,抽吸控制效果最好;抽吸系数不仅存在一个下限值以达到快速、有效的控制效果,而且有一个上限值以保证抽吸控制品质因数（FOM）大于1;孔间距和孔径对翼型气动性能的影响较小,但对FOM分布的影响较大。