低雷诺数下尾迹与分离边界层的相互作用研究

 用有压力梯度平板模拟典型后加载负荷分布形式下低压涡轮吸力面边界层的发展,研究尾迹与分离边界层的相互作用,并对比了雷诺数变化的影响,还分析了在很低雷诺数下尾缘脱落旋涡和分离区的相互作用。结果表明,在相同出口马赫数下,随着雷诺数降低,壁面等熵马赫数发生变化,峰值马赫数有所降低。尾迹与分离区的相互作用,通过在分离区诱导卷起的旋涡,产生湍流以及Calmed区,抑制边界层分离。当雷诺数很低时,分离区与尾缘脱落旋涡的非定常现象需要在涡轮设计中给予关注。     

低雷诺数环境中低压涡轮部件的气动设计探索

为了探索高空低雷诺数情况下高性能低压涡轮部件的气动设计思路和设计方法,通过采用高负荷、大弦长的叶片设计和选择恰当的叶片表面速度分布形式设计了一台新低压涡轮。三维粘性数值模拟的结果显示新低压涡轮效率在高空低雷诺数情况下比设计点下降2 3个百分点。设计结果表明提高涡轮工作雷诺数和降低涡轮性能对雷诺数变化的敏感程度是低雷诺数环境下高性能涡轮气动设计的关键。     

非定常流动对叶片表面负荷分布影响的数值模拟研究

叶轮机内部非定常流动与叶片表面负荷分布之间的关系对于叶轮机的设计非常重要。本文利用数值模拟手段对单级轴流涡轮内部非定常流动进行了模拟，研究了上游叶片排尾迹和位势作用对下游叶片表面负荷分布的影响，并分析了尾迹在下游叶片通道内的演化图画。计算结果表明涡轮级环境中，上游叶片排的尾迹等对通道内部流动，叶片边界层流动损失的产生、发展和输运，以及下游叶片表面吸力面负荷分布产生明显的影响，需要在设计中加以考虑；本文还探讨了非定常效应应用于设计的可行性和思路。     

某涡轮级三维流场非定常数值研究

基于耦合Lantry-Menter转捩模型的SST(Shear stress transport)湍流模型,对某涡轮级在3个雷诺数工况下的全三维流场分别进行了定常、非定常数值模拟,目的在于对比分析两种计算方法所得结果之间的差异。计算结果表明,进口雷诺数为4×104时和5×105时,定常与非定常计算的涡轮级效率的差异较大,最大相差0.6个百分点,而当雷诺数为8×104时,两者差异很小;非定常计算能够较好的模拟叶尖泄漏涡的发展过程、低雷诺数下上游尾迹与下游转子叶片吸力面分离边界层干涉诱导卷起涡的形成、输运及其所导致的叶片吸力面表面压力大幅波动等非定常流动现象。最后,给出了转子出口截面上周向与径向的非定常压力脉动的分布,为基于Lighthill声类比方法的计算气动声学研究奠定了基础。     

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。     

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。     

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.      

低雷诺数下涡轮叶栅流动分离实验与数值模拟

应用实验测量和数值模拟相结合的方法,研究了低雷诺数条件下高负荷涡轮叶栅吸力面的流动分离。通过对叶片表面压力系数、叶栅出口尾迹以及叶片表面气流分离位置和重新附着位置的比较发现,计算结果与实验结果吻合得相当好。应用本计算方法,对低雷诺数条件下雷诺数和来流湍流度对涡轮叶栅的流场的影响作了准确的模拟,对叶栅吸力面的气流分离、再附等做出了预测。实验研究和计算结果都表明,低雷诺数条件下叶栅损失的急剧增大是由于在低雷诺数条件下叶片吸力面发生了气流的分离,雷诺数越低或者进口湍流度越低,叶片吸力面的气流分离就越严重,由此导致的叶栅损失也就越大。     

定常来流条件下低压涡轮附面层分离流动控制手段的实验研究

高空低雷诺数状态下,低压涡轮吸力面流动分离严重,利用被动控制手段可以有效缓解流动分离,提高叶型效率。为了降低低雷诺数下吸力面的流动分离,实验研究了粗糙度在定常来流条件下对低压涡轮叶型损失及吸力面附面层分离的控制效果。实验依托一台低速叶栅风洞,考察了9种粗糙度控制方案对PACKD-A超高负荷后加载叶型的流动控制效果。实验发现在来流湍流度2.2%,5.0×104~1.6×105的雷诺数测试范围内,覆盖19.5%吸力面弧长范围,粗糙高度(Ra)为20.91μm的粗糙条带是一种最优布置方案。这一优化的流动控制手段可以在一定程度上兼顾降低叶型损失,扩大涡轮叶片正常工作范围的作用。     

上游尾迹入射角对压气机叶片负荷的影响

压气机叶片负荷的提高使得叶片表面边界层更容易分离,利用上游叶排产生的非定常尾迹能够抑制边界层分离.运动圆柱代替上游转子,在保证下游叶片进气速度大小及攻角不变的情况下,改变圆柱运动速度以获得上游尾迹与下游静叶吸力面不同的夹角,发现在低负荷小分离情况下静叶损失系数与上游尾迹入射角无关;高负荷大分离情况下静叶损失系数随上游尾迹入射角的增加而降低.分析尾迹作用下高负荷静叶通道内流场,当进入静叶通道的尾迹与叶片吸力面近似平行时,尾迹诱导边界层增厚.使得叶片表面分离泡随时间大幅值脉动,损失增加;当尾迹与叶片吸力面的角度逐渐垂直时,尾迹抑制了边界层分离,同时叶片表面分离泡位置近似不变,其原因是尾迹以负射流形式进入边界层内部,补充了边界层内部低能流体,使得损失减小.      

基于表面粗糙度的超高负荷低压涡轮叶片附面层控制

实验研究了表面粗糙度对PACKD-A低压涡轮叶型损失及附面层特性的影响.实验分别在定常来流与非定常条件下进行,非定常条件下的上游尾迹通过运动的圆棒来模拟.粗糙叶片通过在光洁叶片表面切槽,埋入砂纸制作成型.叶型损失与吸力面载荷使用气动探针与壁面静压孔结合压差传感器来测量,附面层流场使用热线探针来测量.结果表明:覆盖5.2%吸力面弦长(起始于44.3%吸力面弦长,终止于49.5%吸力面弦长),粗糙高度为8.82μm的控制方案在非定常条件下效果最佳,该方案可在整个考察雷诺数范围内(3×104~12×104)降低叶型损失;覆盖19.5%吸力面弦长(起始于30%吸力面弦长,终止于49.5%吸力面弦长),粗糙高度为20.91μm的控制方案在定常条件下效果最佳,该方案可在低雷诺数范围内(小于8×104)降低叶型损失、扩大叶型正常工作雷诺数范围,但在高雷诺数下(大于8×104),却带来了一定的额外损失.      

高负荷涡轮叶栅气动性能试验

在环形涡轮叶栅低速风洞上,对某型高负荷涡轮静叶栅进行了吹风试验.应用五孔球头测针,详细测量了在三个冲角下由栅前至栅后7个横截面内气流参数沿叶高和节距的分布.试验结果表明,沿叶高变负荷结合叶片弯曲,在满足高负荷要求的条件下能够控制边界层的集聚、转捩与分离.在主流区采用前加载叶型,保证叶片能承担高负荷.在两个端壁区采用后部加载叶型,并通过叶片正弯进一步降低气动负荷,从而减小端壁横向压力梯度,削弱端壁横向二次流.正、负冲角仅影响叶片前缘吸力面或压力面的静压分布,引起气动负荷的增加与减小.研究的高负荷涡轮叶栅具有良好的冲角适应性.      

基于表面热膜的超高负荷低压涡轮叶栅附面层特性研究

本文利用表面热膜测量了定常来流条件下某超高负荷后加载叶型吸力面附面层的分离流动,并与壁面静压实验结果进行了对比。结果表明,热膜用于超高负荷低压涡轮叶型附面层流动测量可靠性较高;热膜测得的准壁面剪切应力及相关统计参数能准确地判断附面层分离、再附着和转捩位置;在低Re数条件下,分离泡尺寸和转捩区长度随来流Re数的减小而增加。     

来流湍流度及端壁效应对涡轮叶片上对流换热的影响

利用大尺寸低速开式叶栅风洞对涡轮叶片表面的对流换热进行了实验测量,叶片高度方向布置了3个测量位置,距端壁距离分别为5mm,30mm及150mm.重点对比研究了高来流湍流度、端壁效应及来流雷诺数对涡叶片中部及根部区的过渡起始点、过渡区长度及换热的影响。实验参数范围是:来流湍流度Tu=0.75～13.5%,来流雷诺数Re=60000～240000.      

尾迹扫掠下超高负荷低压涡轮叶片附面层特性

利用表面热膜测量上游尾迹周期性扫掠下某超高负荷低压涡轮叶片吸力面附面层的非定常流动特性.通过热膜测得的准壁面剪切力及其统计参数云图分析了尾迹与附面层的相互作用对分离、转捩及再附过程的影响.实验结果表明:对于低雷诺数Re超高负荷产生较大分离泡的情形,尾迹扫掠对涡轮叶片附面层的发展具有显著影响,能够有效地抑制附面层的流动分离.      

高负荷涡轮进口导向叶片叶型设计及验证

针对涡轮进口导向叶片进口马赫数低、前部负荷小的特点,采用前缘截断思路构建了高负荷涡轮叶型,并采用Pritchard 11参数法进行重构设计。采用数值计算和平面叶栅试验开展了研究和分析。结果表明:高负荷叶型吸力面前缘马赫数显著提升,增加了叶片前部负荷。喉部峰值马赫数基本不变,但位置前移,负荷分布均匀性提高。叶型的马赫数特性和攻角特性表明,高负荷叶型在不同攻角和马赫数下,均能获得较低的总压损失,其中在设计马赫数,叶型负荷提升1倍的情况下,总压损失系数降低259%。      

基于表面热膜的超高负荷低压涡轮叶栅附面层特性

利用表面热膜测量了定常来流条件下某超高负荷后加载叶型吸力面附面层的分离流动,并与壁面静压实验结果进行了对比.结果表明,热膜用于超高负荷低压涡轮叶型附面层流动测量可靠性较高;热膜测得的准壁面剪切应力及相关统计参数能准确地判断附面层分离、再附着和转捩位置;在低雷诺数条件下,分离泡尺寸和转捩区长度随来流雷诺数的减小而增加.