叶栅端壁附面层及叶片力亏损的数值研究

本文对轴流压气机叶栅端壁附面层各种计算方法进行了研究,基于理论和实验提出一种将叶片力亏损与端壁附面层主流和横流发展相关联的新的叶片力亏损模型。对三种不同叶栅的计算结果表明,采用本文的力亏损模型和端壁附面层计算方法所预测的端壁附面层发展,尤其是叶片力亏损的发展与实验值的一致性较好,表明本文模型通用性、实用性强。      

多级轴流压气机端壁边界层中叶片力亏损的研究

本文基于对有经向间隙和无任向间隙两种情况下叶栅二次流造成边界层内叶片力的偏转的分析建立了计算叶片力亏损的模型。文中给出了由瑞壁边界层叶片力亏损计算压气机效率的方法。用上述方法对两台轮流压气机和一个进口导向叶片排计算了端壁边界层厚度,得到了环面堵塞系数,计算了一台压气机的效率。对计算结果的分析表明,用这种方法可见得到较合理的计算结果。      

预测轴流压气机叶栅通道端壁附面层及叶片力亏损

本文将二次流理论与端壁附面层理论相关联,提出一种用于预测轴流压气机叶栅通道内的端壁附面层及叶片力亏损的新方法。附面层主流流动采用包含叶片力亏损的动量积分方程,横流流动采用双层速度分布模型,使用二次流分析和有限差分计算方法预测横流外层速度分布,主流流动和横流流动交替计算。用于两种高负荷压气机叶栅的预测结果表明,不仅端壁附面层发展的预测结果与实验结果吻合较好,而且叶片力亏损发展的预测值也与实验值一致性较好;此外,该方法不仅自动,而且还能较准确地预测S形横向流动的发展。     

压气机初始设计中端区堵塞模型的建立和数值验证

根据扩张管道边界层理论,从边界层动量积分关系式出发,提出了用于轴流压气机初始设计的端壁区堵塞发展模型。应用该模型,可以在初始设计阶段方便地预测压气机端壁区堵塞的发展。通过对轴流压气机扩压叶栅的数值模拟,将模型预测值与数值模拟结果进行对比分析,验证了该模型的准确性和适用性。     

轴向收敛造型对燃气涡轮叶栅端壁气膜冷却性能的影响

为有效评估轴向收敛造型对端壁气膜冷却性能的影响,数值研究了不同吹风比下,轴向收敛造型对跨声速燃气涡轮叶栅端壁上游双排离散孔绝热气膜冷却效率的影响。模拟某工业燃气涡轮真实运行工况（进口湍流度为16%、出口马赫数为0.85、出口雷诺数为1.5×106）,采用基于“两类热边界条件”模型的壁面传热系数和绝热冷却效率数值预测方法,比较分析了3种吹风比（1.0、2.5、3.5）下,简化平板端壁结构和轴向收敛造型端壁结构的端壁热负荷分布、绝热气膜冷却效率分布和近端壁二次流场结构,以及端壁上游气膜孔射流对叶片表面的二次冷却作用（幻影冷却）。结果表明:轴向收敛造型可以削弱马蹄涡强度,降低端壁热负荷,尤其是叶片肩部区域;轴向收敛造型可以显著增加端壁气膜覆盖范围和绝热气膜冷却效率,尤其在叶片前缘和压力面等难以冷却区域;随吹风比增加,轴向收敛造型对端壁气膜冷却特性的影响效果先增加后减小,在设计吹风比为2.5时,轴向收敛造型对端壁绝热气膜冷却效率的增强效果最显著（增加约35%）;轴向收敛造型显著增加叶片前缘和压力面幻影冷却面积,尤其是叶片前缘附近面积增加约100%（设计吹风比下,冷却区域达0.1倍叶高）,可有效减小叶片冷却的冷气需求流量。轴对称收敛端壁造型是进一步提高燃气涡轮叶栅端壁绝热气膜冷却效率、减小冷气流量,实现端壁高效冷却布局的有效技术途径。      

间隙位置和几何对端壁冷却性能的影响

采用数值求解三维雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和k-ω湍流模型,研究了间隙位置和几何对燃气轮机叶片端壁冷却性能的影响。在验证数值方法正确性的基础上,研究了3种间隙位置对端壁气膜冷却性能的影响,并提出了3种渐缩梯形间隙结构,分析了渐缩间隙结构对端壁流动和冷却特性的影响。结果表明,间隙距叶片前缘距离的增大会降低叶片前缘附近马蹄涡影响区域的气膜有效度,但是,当质量流量比大于1.0%时,端壁气膜有效度分布均匀性提高。在质量流量比为0.5%时,间隙位于距叶片前缘0.1倍轴向弦长位置时,会发生主流入侵的现象。相比于原始间隙,3种渐缩梯形间隙均能够显著提高端壁气膜有效度。特别是质量流量比为1%时,3种渐缩梯形间隙使得端壁平均气膜有效度最大增大了105.36%。此外,渐缩梯形间隙还防止了在质量流量比为0.5%时,主流入侵的发生。     

压气机通道端壁附面层区叶片载荷分布研究

为了探索叶片载荷分布对端壁附面层区流动的影响,设计出3套平面叶栅,叶片载荷分别趋前、居中和靠后。对于低速流动,采用实验和三维Navier-Stkoes方程方法对叶片表面、叶栅出口流场进行了研究。研究表明:叶片载荷靠后叶片(No.3)性能较叶片载荷趋前(No.1)和居中(No.2)叶片差;No.2叶片与No.1叶片比较,出口损失小,但落后角较大,扩压能力较小;在进口端壁附面层一定时,叶片前缘附近的端壁附面层区叶片力亏损变化与叶片力变化呈正相关;端壁面与叶片吸力面之间构成的角区内角涡,没有造成靠近后缘端壁附面层区吸力面静压明显下降。      

子午修型对1.5级大子午扩张涡轮端区流动传热性能影响研究

大子午扩张涡轮由于子午型线扩张度较大,因而易导致端区边界层分离及热集中,针对这个现象,采用数值模拟方法,并采用正弦曲线对某型1.5级大子午扩张涡轮子午型线采取了8种修型方案,研究子午修型对于端区流动传热性能的影响。计算结果表明,子午修型可以有效地控制端区的分离流动,从而影响着通道涡与脱落涡强度及位置,也影响着端壁及叶片上热负荷分布。在本文研究条件下,振幅为三分之一叶片最大厚度的前凹后凸子午型线有效地减弱了脱落涡引起的损失,进而使整体总压损失减小6.06%,并可以减弱端壁及叶片传热集中,使叶片最大热负荷减轻21%。     

使用GAO-YONG方程组对不可压转捩/湍流平板边界层的计算

与以往的湍流模型不同的是GAO-YONG不可压湍流控制方程组不需要任何经验系数及壁面函数。本文运用SIMPLE方法QUICK格式求解GAO-YONG方程组,对二维零压力梯度下平板转捩/湍流边界层进行了数值模拟。结果表明,方程不仅对于边界层流动的各项细节(如表面摩擦系数C_f,对数律,亏损律等)能作出良好的预测,成功地解决了以往一般模型不能同时计算近壁区和远壁区的难题,而且能够预报层流-湍流转捩过程。本文还对机械能方程如何影响边界层近壁区特性进行了数值研究。      

等离子体激励位置对抑制压气机角区分离效果的影响

为了揭示等离子体气动激励对角区分离的作用效果,应用FLUENT软件数值模拟了等离子体激励器对压气机叶栅角区分离的影响.采用等离子体激励器的简化唯象模型,在压气机叶片吸力面和端壁不同位置沿流向施加激励,对总压损失系数、极限流线、不同截面流动情况进行了比较分析.结果表明:吸力面激励对角区分离改善有限,角区未失速时,近分离点前是激励最佳位置,角区失速后,激励位置越靠前效果越好;端壁流向激励能明显减小角区分离损失,分离点至叶片前缘任何位置施加激励效果一样;组合激励同时减小吸力面边界层和端壁边界层损失,使角区分离消失且不受攻角变化影响.     

组合抽吸对跨音速压气机稳定性影响分析

为研究组合抽吸对跨音速压气机稳定性的作用,以NAsARotor35为研究对象,应用数值模拟手段深入分析了不同抽吸方案对该压气机稳定性以及流场结构的影响效应,数值计算采用商业软件NUMECA结合S-A模型,求解定常NS方程组。研究结果表明：叶表和端壁组合抽吸不仅对压气机的压比和效率性能有较大的提升,同时对压气机内部的流动失稳机制有抑制作用,是一种可行的流动失稳控制策略;叶表抽吸缝主要是吸除叶片吸力面附面层内的低能高熵流体提高压气机的效率,端壁抽吸主要是吸除叶顶内低能高熵流体,改善叶顶复杂流动结构,进而扩大压气机稳定工作范围。     

跨音速压气机附面层组合抽吸方案对比分析

以NASA Rotor35为研究对象,应用数值模拟方法深入研究了叶表抽吸和端壁抽吸的不同抽吸组合布局对该跨音速压气机流场结构以及其性能影响规律.研究结果表明:四种抽吸组合在不同的抽吸量下均使压气机的压比和效率有所提高,相对叶表抽吸或端壁抽吸,其在较大的抽吸量时对压气机性能的提升较大,在抽吸量Sc=2.0%时最佳抽吸组合...     

Aerodynamic Design and Analysis of a Low-reaction Axial Compressor Stage

There is introduced a new low-reaction, highly-loaded axial compressor design concept which is coupled with boundary layer suction method. The characteristic features of the concept are made clear through its comparison with the MIT boundary layer suction compressor. Also are pointed out the potential applications of this concept as well as its key technological problems. Based on this concept, a single-stage, low-reaction and low-speed axial compressor is constructed in association with analysis and computation of boundary layer suction on vanes with the aid of a three-dimensional numerical approach. The results attest to the effectiveness of this way to control separation in blade cascades by the boundary layer suction and the feasibility of this proposed design concept.     

计算压气机特性的基元叶片法

本文介绍一种轴流压气机非设计性能的预测方法。该法特点是 ,在流线曲率法解径向平衡方程基础上 ,引入环壁附面层损失的计算 ,考虑叶型存在对气流熵增和总焓变化的影响 ,并计入二次流 /径向间隙流引起的损失 ,激波、尾迹损失等。结果与试验数据对比符合工程要求。     

压气机二次流及其控制

本文是压气机二次流研究的总结。文中概述了压气机端壁角区流动,二次流与叶片颤振,二次流控制等问题的研究结果,这对于了解压气机真实流动和建立新的物理模型提供了一些重要信息,对于工程应用亦有一定价值。      

一种叶顶叶栅结构对压气机间隙流动的影响

为减小压气机间隙流动带来的流动损失,提出了一种新的叶顶结构,即在常规叶片叶顶上构造出由数个小叶片组成的叶栅.通过对具有该结构叶片的三维流场进行数值模拟,分析了端壁移动对压气机间隙流场的影响.结果表明:该结构明显改善了叶顶附近的流动状况,从泄压和导流两方面抑制了叶顶附近流体从压力面向吸力面的泄漏,有效削弱泄漏涡的强度,进而减小泄漏涡扩散带来的损失,提高了压气机气动性能,相比常规叶片叶栅出口总压损失系数减小达1.158%.      

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。