高负荷低压涡轮内部非定常流动机理及其控制策略研究进展

低压涡轮湍流问题是制约高性能航空发动机研制的难点之一。为了理清低压涡轮内部湍流流动机理,并掌握相应的控制策略,获得计及非定常流动特征的高负荷低压涡轮气动设计方法,基于课题组长期从事高负荷低压涡轮的研究基础之上,结合国内外低压涡轮大量研究工作,系统地介绍了尾迹扫掠下低压涡轮叶片吸力面附面层发展演化过程、端区二次流非定常特征变化以及相应的流动损失机制及其抑制方法。优化叶片载荷分布在一定程度上能够减小叶型损失和二次流损失;尾迹扫掠能够诱导吸力面附面层发生转捩从而减小叶型损失,同时也有助于抑制端区二次流的发展,但在不同雷诺数下,尾迹的作用效果可能不同;对于高/超高负荷低压涡轮,特别是在低雷诺数条件下,需要借助有效的流动控制手段来抑制分离。     

低雷诺数高负荷低压涡轮叶型的气动设计

采用平面叶栅实验和数值模拟研究了不同负荷分布设计以及基于二维展向凹槽处理的非光滑型面设计对高负荷低压涡轮叶型流动损失的影响规律.研究表明:在低雷诺数状态下前加载负荷分布设计对高负荷低压涡轮叶型的二维气动性能更有利;二维展向凹槽处理的非光滑型面设计能够有效改善高负荷低压涡轮叶型在低雷诺数状态下的气动性能,但同时可在一定程度上恶化叶型在高雷诺数状态下的气动性能;基于二维展向凹槽处理的非光滑型面设计与后加载负荷分布设计的结合能够在更为宽广的雷诺数工况范围内改善叶型的气动性能.      

雷诺数对涡轮部件性能的影响

利用数值模拟手段研究了雷诺数对低压涡轮部件性能的影响,分析了低压涡轮内部流动的变化。结果表明低压涡轮效率随雷诺数降低而下降,且其变化趋势为非线性变化;叶片表面速度分布亦发生较明显的变化,导致叶型损失与二次流损失增大;结果还表明叶片表面速度分布的设计对涡轮性能随雷诺数变化的规律具有重大影响,在低雷诺数条件下涡轮部件的设计中需加以注意。      

边界层特性对雷诺数变化的敏感性分析

通过对有压力梯度下的边界层进行研究，模拟低压涡轮叶片表面边界层的发展过程，并分析了叶片表面不同负荷分布形式情况下吸力面边界层特性对雷诺数的敏感程度。计算中，分别采用了三种典型的涡轮气动负荷分布形式：后加载、前加载、均匀加载等，并分别模拟了三种不同的雷诺数下的边界层发展情况。结果表明：在同一雷诺数情况下，不同负荷分布形式吸力面边界层发展呈现出明显差异；而不同负荷分布形式下叶片表面边界层特性对雷诺数的敏感程度也不一样，相对而言，均匀加载形式对雷诺数的敏感程度最小，更适应低雷诺数条件下工作。     

低雷诺数下涡轮转子内部流场的数值模拟研究

采用加入AGS转捩模型的Spalart-Allmaras湍流模型对低雷诺数条件下某涡轮转子内部流场特性进行了数值模拟。分析了雷诺数下降对涡轮内部流场特性的影响,探讨了雷诺数下降对涡轮气动性能的影响特点。计算结果表明,雷诺数下降使涡轮转子叶片吸力面附面层显著增厚,叶片尾缘气流局部分离,并进而严重影响涡轮的气动性能和稳定性。     

高空低雷诺数风扇/增压级气动设计

为发展一型适用于高空低雷诺数流动的风扇/增压级部件,解决高空长航时无人机动力对部件的技术需求,针对高空低雷诺数下的风扇/增压级进行了气动设计,设计过程包含了一维热力计算、S2通流设计、叶片造型设计和三维数值计算分析。经过多轮设计迭代后,得到了适用于高空低雷诺数条件下的最优叶型。三维数值计算结果表明:风扇/增压级的内、外涵性能都达到了设计指标的要求,且在高空低雷诺数下有较高的稳定裕度。与现有发动机风扇部件性能进行对比得出:新设计的风扇/增压级具有较好的高空工作能力,可以满足总体对风扇/增压级的性能需求。     

涡轮三维叶片气动优化设计集成及应用

采用商业优化设计平台i SIGHT FD,集成涡轮平面叶栅造型程序、叶片三维积叠程序、流道设计软件、网格划分软件Turbo Grid、流场分析软件CFX,开发了涡轮三维叶片气动优化集成系统。该系统由流道优化集成系统、基准截面(根、中、尖)优化集成系统和三维积叠优化集成系统组成。采用该优化集成系统,对弹用发动机低压涡轮导向器进行了三维气动优化设计。结果表明:导向器叶片表面载荷分布明显改善;能量损失较原型降低约7%;在未改变低压涡轮转子的情况下,低压涡轮级气动效率略有提升。     

低雷诺数涡轮叶片边界层转捩及分离特性测量

低雷诺数工作条件下涡轮流场特征及其控制设计,是航空发动机低压涡轮部件设计的难点和重点。针对低雷诺数涡轮叶栅流场开展了实验研究工作,利用油流显示、表面静压、边界层压力探针等测量手段研究了涡轮叶片边界层的分离和转捩。结果表明雷诺数降低导致了流动损失的增大,且存在一个临界雷诺数。当雷诺数小于临界雷诺数时,发生在吸力面的流动分离是开式的层流分离泡,不会再附与叶片;当雷诺数大于临界雷诺数时,分离流会在尾缘前重新附着于叶片吸力面,形成闭式分离泡。随着雷诺数的减小,出口尾迹变宽,出口流动损失、出口速度亏损和出口气流角偏离增大,尾迹中心向吸力面方向移动。     

高速涡轮发动机压缩部件低雷诺数影响研究

为了分析马赫数3.0量级高速涡轮发动机在高空22.5 km范围内,雷诺数变化对多级压气机气动性能的影响,采用Wassell特性修正与经验曲线拟合的方法,评估了低雷诺数条件压气机工作点效率、压比、流量的变化。利用S1计算程序分析了低雷诺数条件下基元叶型的流动特征,探讨了减小雷诺数影响的叶型设计规律。通过加入转捩模型的3维仿真模拟了地面和高空典型工况的气动特性,分析了低雷诺数对多级压气机稳定性的影响。结果表明：压气机在高空18.5 km和22.5 km喘振裕度相比地面条件下分别减小了5.61%和8.12%。综合对比仿真法和经验法对多级压气机性能预测结果,认为仿真法考虑了多效压气机在低雷诺数条件下级间匹配变化的影响,更适用于对压气机高空全转速特性的预测。     

一种大负荷低压涡轮叶型的气动性能

基于Lantry-Menter转捩模型,分别对Zweifel升力系数为1.2的一种大负荷低压涡轮叶型在定常来流不同湍流度、雷诺数条件下,上游非定常、周期性尾迹作用下的流动进行了数值模拟.计算结果表明,定常来流低雷诺数条件下,湍流度对该大负荷叶型的气动性能影响较大;上游非定常、周期性尾迹对叶型吸力面分离泡的抑制作用可进一步减小低雷诺数条件下的叶型损失.计算结果揭示了该大负荷叶型在低压涡轮内部真实流动环境中的表面流动及损失特征,对国内现行低压涡轮设计有着较好的启示.      

某5级低压涡轮全三维计算分析

为了解某民用发动机5级低压涡轮的气动设计特点,利用全三维计算流体动力学(CFD)软件CFX 12.0对带冷气的某5级低压涡轮进行了全三维计算,湍流模拟采用带转捩的SST(shear stress transport)二方程模型,并使用源项模拟技术考虑冷气的影响.计算结果与试验结果进行了对比,结果表明该涡轮叶片均采用前加载或均匀加载的设计方法,流道中气流为全亚声速流动;亦表明了CFX软件对气动流场的模拟具有较高的精度.计算结果为先进民用航空发动机涡轮设计提供一定的参考和借鉴.      

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.      

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.      

低雷诺数多螺旋桨/机翼耦合气动设计

以临近空间太阳能无人机研究为背景,针对高空低雷诺数状态下多螺旋桨/机翼构型进行了耦合气动设计研究。首先,通过对典型多螺旋桨/机翼构型进行气动特性及流动特性分析,提出了以在多螺旋桨滑流影响下构建机翼近壁面理想流态分布形式为核心的低雷诺数多螺旋桨/机翼耦合气动设计思想;然后,基于该耦合设计思想,依次进行了多螺旋桨布局参数设计研究、低雷诺数流态区域二维翼型设计研究以及近似高雷诺数流态区域耦合螺旋桨滑流影响的机翼翼段设计研究;最后,通过相关设计结果的对比分析验证了所提出低雷诺数多螺旋桨/机翼耦合气动设计思想及设计方法的有效性和可靠性。结果表明：与常规仅进行低雷诺数翼型优化得到的设计结果相比较,基于所提出低雷诺数多螺旋桨/机翼耦合设计思想设计得到的多螺旋桨/机翼构型气动特性得到显著改善,在设计状态下,多螺旋桨滑流影响下的机翼阻力相对降低达8.8%,升阻比相对增大达12.1%,由多螺旋桨滑流为机翼气动特性带来的不利影响亦得到约64.5%的补偿和改善。     

低雷诺数平面叶栅试验方法研究

传统的叶型气动设计体系建立在高雷诺数基础上,UAV（无人飞行器）的发展对低雷诺数叶型气动设计和试验验证提出了新的要求。本文就降低叶型试验雷诺数的原理、实现的方法进行了分析,提出了在现有试验器基础上进行设备改造的方案和试验调节方法,并根据试验数据对改造后试验器的低雷诺数流场进行了初步分析,在国内首次通过试验手段获得了某高...     

基于太阳能飞机应用的低雷诺数翼型研究

以太阳能飞机为背景,对低雷诺数翼型FX 63-137进行了折线型建模以拟合典型晶硅太阳能电池片对气动外形的影响,开展了气动数值模拟分析。首先引用"拟合优度"的定义描述本文折线型翼型轮廓与基准翼型(Baseline)的吻合度,并以此参数为变量建立5种折线型翼型模型;然后,采用计算流体力学(CFD)方法计算分析了不同雷诺数下各折线型翼型的气动特性,并着重研究了低雷诺数下折线型翼型的绕流机理;最后,基于工程应用实际的需求,提出了晶硅太阳能电池片的铺设方法也即折线型翼型设计思想准则,并进行算例验证。研究结果表明:低雷诺数条件下,折线型翼型升阻性能相比光滑翼型在一定程度上表现出了优势,但随着雷诺数的增加,升阻方面的优势逐渐消失;折线型翼型压力分布受各折线段长度影响,前缘吸力峰值、压力平台范围以及压力恢复区分布特征是决定折线型翼型气动性能的主要因素;通过设计的算例验证了本文提出的折线型翼型设计思想的可行性。     

Unsteady wakes-secondary flow interactions in a high-lift low-pressure turbine cascade

Detailed experimental measurements were conducted to study the interactions between incoming wakes and endwall secondary flow in a high-lift Low-Pressure Turbine (LPT) cascade. All of the measurements were conducted in both the presence and absence of incoming wakes, and numerical analysis was performed to elucidate the flow mechanism. With increasing Reynolds number, the influence of the incoming wakes on suppressing the secondary flow gradually increased owing to the greater influence of incoming wakes on reducing the negative incidence angle at higher Reynolds numbers, leading to a lower blade loading near the leading edge and suppression of the Pressure Side (PS) leg of the horseshoe vortex. However, the effect of unsteady wakes on suppressing the profile losses gradually became weaker owing to the reduced size of the Suction Side (SS) separation bubble and increased mixing loss in the free-flow region at high Reynolds numbers. Incoming wakes clearly improved the aerodynamic performance of the low-pressure turbine cascade at low Reynolds numbers of 25,000 and 50,000. In contrast, at the high Reynolds number of 100,000, the profile loss at the midspan and mass-averaged total losses downstream of the cascade were higher in the presence of wakes than in the absence of wakes, and the unsteady wakes exerted a negative influence on the aerodynamic performance of the LPT cascade.