高负荷压气机叶栅内三维旋涡结构及其形成机理的研究进展

压气机内的三维流场中存在着复杂的旋涡运动及气流分离,这些复杂的流体运动影响着压气机的高效及稳定运行,有必要了解并掌握压气机内旋涡结构的产生与发展机理.本文首先回顾了叶轮机械内经典的旋涡模型,重点综述了压气机叶栅旋涡模型的研究成果.然后,详细介绍了在矩形扩压叶栅和跨声速压气机静叶的旋涡结构方面取得的阶段性研究成果,分别讨...     

设计马赫数下高负荷压气机叶栅流动损失的参数化调控

为有效预测、调控高负荷压气机平面叶栅的旋涡结构与流动损失,本文以某高负荷的可控扩散叶型(CDA)拉伸生成的平面叶栅为研究对象,采用数值计算方法、损失权重系数分析方法研究了在几何、气动变量条件下,叶栅流道内的旋涡结构与流动损失之间的关联性.揭示了稠度,安装角和进、出口几何角等参数变化影响旋涡结构损失与出口截面损失的作用机理,建立了相对完整的各几何参数影响流动损失及损失权重系数的参数化表达式.结果表明:根据参数化表达式来对不同参数下的最优解进行预测后,各单参数变量下对应的最佳优化结果平均绝对误差不超过3%,对于影响损失较大的几何参数的损失权重系数预测时,平均绝对误差不超过6%.通过本文所提出的参数化方法,与传统损失模型相比,在计算高负荷压气机叶栅流动损失方面的精度得到了显著提升,一些预测精度提升了一个数量级.本文以最佳参数预测、重构一套优化叶栅,实际数值计算结果表明,相较于原型叶栅,优化叶栅出口截面损失下降了11.18%,扩压能力提升了8.04%,达到了定性预测的目的.     

压气机叶栅的涡发生器流动控制研究

本文通过实验和数值模拟,研究了涡发生器对压气机端壁角区流动及损失的影响,在研究中利用流向涡加强端壁角区内的低能流体与主流高能流体之间的交流,从而达到抑制分离、降低损失的目的.通过对实验与计算结果进行定性和定量分析,比较了不同条件的涡发生器作用下的叶栅性能影响.     

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%.      

高负荷压气机叶栅分离结构及其等离子体流动控制

 为揭示高负荷压气机叶栅内部流动损失的产生机理和分布规律以及等离子体气动激励的作用机制,利用拓扑分析和数值计算方法,从计算模型的建立与验证、基准流场的分离结构和等离子体流动控制3个方面展开研究;对总压损失系数分布、拓扑结构和表面流谱与空间流线分布以及旋涡结构进行分析,并开展了激励方式的优化分析.结果表明:随着攻角的增大,固壁面拓扑结构增加了3对奇点,吸力面流向激励改变了固壁面拓扑结构.当攻角为2°时,在吸力面拓扑结构中产生了一对奇点,打断了角区分离线,并引入了一条回流再附线.叶栅流道内部有5个主要涡系,尾缘径向对涡促进流体的展向流动,并成为吸力面倒流的主要组成部分;角涡是一个独立的涡系,其强度和尺度不受等离子体气动激励的影响.吸力面流向激励可以改善叶中流场,但对角区流动作用很小;端壁横向激励可以降低角区流动损失,对叶中流场作用有限;吸力面流向与端壁横向组合激励在整个叶高范围内均可以显著抑制流动分离;端壁横向流动对角区流动分离结构的影响大于吸力面附面层的分离.吸力面流向激励的优化明显降低,而端壁横向激励和组合激励的优化保持并增强了等离子体流动的控制效果.     

高负荷轴流压气机叶栅二次流动与损失关联性探讨

为探讨压气机中二次流与损失生成的关联性,对一高负荷轴流压气机叶栅开展数值模拟研究。首先对叶栅流动进行定性分析,在此基础上推导定量模型估算流场中的损失源,并由此获得二次流动诱发损失的机理与影响。研究结果显示,在大部分攻角范围内,二次流诱发的损失未超过50%。相对于二次流间接作用于低速流而诱发的损失而言,其直接耗散产生的损失仅为小量;在角区失速时的详细观测也显示,通道横流的流向变化,也即二次流对低速流间接影响的变化是导致通道内损失随攻角激增的主要原因。     

在不同叶顶间隙下涡轮叶栅的拓扑与旋涡结构.

应用拓扑原理分析了叶顶相对间隙的0.023和0.036的涡轮直叶栅和正,反弯叶栅的壁面流谱,发现在两种间隙不同类叶栅的拓扑与旋涡结构在叶顶和吸力面壁角明显不同,探讨了判别形成的机理及其对能量损失的影响。     

扩压叶栅端壁区旋涡流动显示研究

通过氢气泡流动显示,获取不同攻角、不同径向间隙下扩压叶栅端壁区内各种旋涡的发生、发展、涡-涡、涡-附面层干涉的流动图画。      

高负荷扩压叶栅三维定常旋涡结构建模研究

为进一步认识高负荷扩压叶栅内的流动机理和旋涡演变规律,采用经试验校核的数值方法,以具有60°折转角的NACA65-010叶型为研究对象,运用拓扑分析理论,探讨了叶栅流道内马蹄涡、通道涡、集中脱落涡和壁角涡等二次旋涡的生成、演绎与发展。分析认为,在高负荷扩压叶栅中,对流场影响最大的涡系结构为通道涡,通道涡在130%B截面转变为稳定的内旋结构,流道内的壁角涡由通道涡诱导形成,而出口角涡则是在叶片尾缘出口绕流与通道涡的综合作用下形成的,流场出口最终呈现出通道涡与集中脱落涡并存的稳定结构。最后给出了0°冲角下的三维旋涡结构示意图。     

局部及全叶高合成射流对高速压气机静叶栅流场结构的影响

数值研究了合成射流控制高速压气机静叶栅吸力面角区分离,对比分析了不同射流结构对叶栅内流场结构及气动性能的影响。研究结果表明:合成射流通过周期性地吹气和吸气推迟角区分离、降低总压损失,由于吹气和吸气阶段的作用效果不同,使得叶栅出口损失系数的改善效果呈现出周期性波动。合成射流对通道涡以及角区二次流的有效控制是其取得良好控制效果的关键,当冲角为2°时,局部、全叶高方案最大可使总压损失系数分别降低22.2%和23.8%。由于局部叶高方案无法控制叶展中部的流动,造成该区域的尾迹损失增大,从而导致其流动控制效果弱于全叶高方案。两种射流结构都具有良好的变工况适应特性,全叶高方案在大冲角时逐渐体现出其优势,当冲角为4°时,总压损失系数的改善幅度相比局部叶高方案提高了2.8%。      

边界层吸气对压气机叶栅角区分离损失的控制

压气机角区的大范围回流通常会引起叶片通道中的三维阻塞现象,并伴随有强烈的掺混流动损失。采用德国航空航天中心(DLR)开发的TRACE程序,在其推进技术研究所的高速压气机叶栅试验台(包含5个NACA65K48直叶片)上,研究了位于端壁上的边界层吸气措施——叶片弦中近尾缘吸气槽(MTE)对该直压气机叶栅通道的角区分离进行控制,减小二次流动损失,进而削弱其对总损失的影响。通过基于定常雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方法的数值模拟研究与相应的试验研究对比,端壁边界层吸气能够较好地重新组织角区气流流动,减弱附着于叶片吸力面尾缘的集中脱落涡,使得角区分离涡强度显著降低,由此引起的二次流损失也明显降低,与无吸气状态相比最大降幅可达81.2%;在设计状态下采用吸气流量率为1%的MTE,总压损失有很大程度的降低:在数值计算中,降幅为15.2%;试验测量中为9.7%。     

射流对压气机叶栅分离流控制的数值研究

现代先进轴流压气机级负荷不断提高的发展趋势导致流动分离日益严重.借助数值模拟分别对非定常射流和定常射流进行了参数优化研究.结果表明:基于射流的主动流动控制能有效弱化或消除流动分离,不同射流方式存在不同的最优射流参数(射流方向、位置、速度和频率等),这就为利用射流控制轴流压气机分离流动的工程应用奠定了一定的理论基础.     

跨声速轴流压气机特性预测的损失模型研究

基于公开发表的研究成果,完善了1种新的跨声速轴流压气机总压损失及落后角预测模型,并发展了相应的跨声速轴流压气机非设计性能分析方法,建立了相应的计算机模拟程序。对2个跨声速轴流压气机的设计及非设计性能进行了数值模拟,对所得计算结果与试验结果的比较表明,本模型与分析方法能够应用于工程计算。     

在静止扩压环形叶栅中捕获轴流压气机非定常耦合流型的实验研究

本文研究了在静止扩压环形叶栅中如何实现非定常自然流型(UNFT)向非定常耦合流型(UCFT)的转变,以及耦合流型对轴流压气机能带来多大的时均性能提高。在环形叶栅台上的大量实验研究表明：当以一定方式实现非定常耦合流型后,其分离旋涡缩小,流场中涡量减小,流动损失下降,时均性能有较大幅度提高。实验中将常规的气动感头测量和小惯性热线风速仪测量以及数字式PIV瞬态场测量技术相结合,来获得非定常两代流型的流动图案和时均性能及其相互比较。     

吸附式压气机平面叶栅数值模拟研究

本文对采用吸附式压气机概念设计的一套超声速平面叶栅采用粘性全三维数值模拟方法进行了研究。数值模拟再现了吹风试验中发现的一些现象．并进一步研究了抽吸位置、抽吸气流量对叶栅性能的影响。     

给定通流部分形状时轴流压气机级性能优化

用一维理论对轴流压气机的初步设计作了进一步研究,导出了轴流压气机基元级的特性关系。建立了在给定通流部分形状时最优化设计的数学模型。得到了解析关系。并通过研究给出了数值算例。所得解析关系具有一定的普适性,并可进一步拓展用于多级轴流压气机优化中。     

某型压气机级间流场测量及数据分析

存全尺寸压气机试验台上,用球形五孔压力探针测量了低压压气机转子后的二维流场。揭示了该型压气机转子后稳态流场的特点。并提出改进方向。     

小型斜流压气机流场特性及损失分析

采用数值模拟的方法研究了某小型斜流压气机内部三维流动,分别对设计转速和80%设计转速进行了数值模拟计算。分析了在两种转速下的特性曲线,研究了气流的流动状态,归纳总结了造成斜流压气机损失的主要原因。结果表明,在设计转速时达到的最高效率约为0.63,在80%转速下能达到的最高效率约为0.80;斜流压气机的损失在斜流叶轮上和轴向扩压器上均较为明显,且在第二级轴向扩压器上的损失最为严重。     

集中涡的细微结构和破裂机理初探

本文利用微分方程定性理论和分叉的基本概念,证明了在轴向逆压梯度时集中涡截面流态是一个附着螺旋点,且存在至少一个极限环。破裂截面上的流态对应于一个退化结点。由此推出破裂时有V_θ/r|_(r=o)=0。通过分析认为,涡破裂是由于涡轴上轴向逆压梯度的扰动自动放大造成的。     

轴流压气机失速点流场特性数值研究

通过对三个单转子跨声速轴流压气机的数值模拟,考察了近失速点的流场特征.结果表明,Vo等人提出的尖峰型失速判别准则,即前缘溢流和尾缘倒流必须都出现则失速发生,并没有与本文所有箅例吻合;在部分算例中,尾缘倒流并未出现.因此,尾缘倒流是发生尖峰型失速的必要条件、还是失速发生后所导致的流动状况,还需要进一步研究.另外,还对亚声速和跨声速情况下近失速点的流场及流动机制进行了讨论.