表面热膜测试技术在边界层测量中的应用

表面热膜测试技术由于其高频响特点,且能反映边界层从前缘到尾缘的连续瞬态变化过程,在边界层测量中很具优势.概要介绍了表面热膜的使用方法,深入探究了表面热膜探针测量的不确定性,发展了一套表面热膜测试技术的使用方法.利用多通道表面热膜探针测试技术,研究了某一负荷分布下边界层的发展过程,准确捕捉到了边界层的分离和转捩位置,表明了表面热膜探针测量结果的有效性和可靠性.     

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.     

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。     

尾迹与涡轮叶栅边界层的相互作用

通过实验和数值模拟的手段研究了尾迹与边界层的相互作用,其中上游叶排尾迹的模拟是通过在涡轮叶栅前设置周期性运动的圆柱实现的.研究表明,上游尾迹对涡轮叶栅边界层的发展有显著影响,在其作用下,吸力面边界层提前转捩,分离得到明显的抑制,利用尾迹与边界层相互作用的非定常效应可以明显提高低压涡轮叶栅气动负荷.      

高负荷低压涡轮边界层转捩的实验研究

为了研究高负荷低压涡轮边界层的非定常转捩过程及雷诺数对尾迹边界层相互作用机制的影响,采用热线和表面热膜测试技术在高负荷叶栅实验台上对吸力面边界层的非定常时空演化进行了实验测试。结果表明:高负荷叶型的吸力面边界层在没有来流尾迹作用的情况下会不可避免地发生分离。分离剪切层中的K-H无粘不稳定机制主导了失稳转捩过程;来流尾迹的逆射流会与边界层相互作用,产生卷起涡结构,从而促进分离剪切层的转捩过程。边界层的分离被转捩产生的湍流条带及其后的寂静区抑制;随着雷诺数降低,分离点向上游移动11.4%吸力面弧长,分离泡的流向和法向范围扩大,尾迹引起的卷起涡结构尺度也随之变大。雷诺数通过改变分离剪切层的状态对转捩机制产生影响。     

雷诺数对高负荷低压涡轮叶栅流动损失的不确定性影响

高空巡航时高负荷低压涡轮(LPT)雷诺数较低,在逆压梯度作用下叶背极易发生层流分离转捩并恶化LPT的气动性能。重点开展雷诺数扰动对高负荷LPT流动损失的不确定性影响研究。首先通过求解■模型方程对高负荷LPT叶栅进行数值模拟,通过精度分析及对比评估数值模拟的可靠性。之后分析不同湍流度条件下雷诺数对动能损失系数(KELC)的影响并建立KELC的自适应响应模型,计算KELC的统计均值、标准差等并对比分析KELC的不确定性影响规律。最后开展基于蒙特卡罗模拟的流场统计研究,通过分析雷诺数扰动对流动分离和转捩的影响,揭示雷诺数对高负荷LPT流动损失不确定性变化的作用机制。     

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。     

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.      

有/无尾迹作用下低压涡轮叶栅分离边界层转捩的大涡模拟

采用经过大量算例验证的可压缩大涡模拟求解器对雷诺数为60154、马赫数为0.402的低压涡轮叶栅T106D-EIZ进行了细致模拟,计算了定常来流和周期性尾迹来流两种工况.对计算结果的分析表明:定常来流工况下,叶片吸力面后部出现大尺寸的层流分离泡,分离剪切层的转捩过程受Kelvin-Helmholtz （K-H）不稳定性控制;尾迹来流工况下,由于来流尾迹的周期性扫掠,时均分离泡尺寸变小,叶栅总压损失降低.对相位平均和瞬态流场的分析表明,尾迹引起的逆射流使分离点后移,形成卷起涡结构,逆射流掠过卷起涡的过程中与其发生强烈的相互作用,产生大量气动损失,而后卷起涡破碎,流动转捩为湍流.      

高压涡轮叶栅尾缘损失的试验研究

由德国宝马*罗*罗（BRR）、中国燃气涡轮研究院（GTE）和德国宇航院（DLR）联合开展了“叶背表面曲率的变化对高压涡轮尾迹损失的研究”。此课题包括三套涡轮叶栅，G1由BRR气动设计，DLR和GTE共同试验；G2由BRR气动设计，GTE试验；G3叶栅由GTE气动设计、加工和试验。通过研究得出了G1、G2和G3三套叶栅，在β1=41.4°、56.4°和26.4°，M2tis=0.70、0.85、1.0和1.15时，叶背表面带和不带附面层转捩线的试验结果。     

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。     

粗糙度对超高负荷低压涡轮边界层影响

基于IET-LPTA叶型研究了被动控制中的粗糙度对分离转捩的影响,以寻求一种优化的粗糙度布置方式来减小叶型损失。研究以CFX数值模拟为主,对数值结果进行试验验证。主要考察了不同粗糙高度及不同粗糙度布置位置对叶型损失的影响,提出了变粗糙高度的优化布置方案,并使用间歇因子、位移厚度、动量厚度、形状因子、湍流度等特征参数分析了粗糙度控制分离的机理。研究发现粗糙度对减小叶型损失,推迟开式分离泡的出现有显著作用,同时变粗糙高度结合前缘至转捩点的布置方式能够更好地抑制分离,减小叶型损失。     

超高负荷低压涡轮叶型边界层被动控制

应用商用流体计算软件求解定常雷诺平均N-S方程组耦合Lantry-Menter转捩模型,对来流湍流度1.5%,不同进口雷诺数下,前加载超高负荷低压涡轮叶型进行了数值模拟。在与相关实验数据对比的基础上,研究了三种被动控制方式的控制效果与控制机理。结果表明:弧形凹槽的最佳开槽位置在分离点,最佳深宽比为0.15,表面拌线和矩形条的最佳加载位置在速度峰值点与分离点的中点;控制方式能否有效与其增加的掺混损失和减少的分离损失有关;三种控制方式均通过产生小漩涡来增加低能流体与高能流体之间的交换,从而加速转捩减小分离泡降低叶型损失。     

非对称尾迹对低压涡轮叶片附面层影响的研究

针对低雷诺数下低压涡轮(LPT)叶片尾迹存在的不对称性,研究了一种在近场与LPT尾迹更加接近的非对称尾迹对下游叶片附面层的影响,以求在不增加实验难度或计算量的前提下,提高研究过程中尾迹对下游叶片流动影响预测的精确性。研究以CFX软件为工具,以Packb高负荷LPT叶型为研究对象,分析了圆棒、三角形尾迹与叶片近场尾迹的相似性,对比了在圆棒与三角形尾迹扫掠下,叶片吸力面附面层的流动特性。研究发现,与圆棒尾迹相比,偏置的三角形尾迹与低雷诺数下的LPT叶片尾迹更加相似,且可更好地抑制吸力面分离。     

航空涡轮叶片气膜孔参数化建模研究

介绍了航空涡轮叶片气膜孔参数化建模的现状,分析了其参数化建模的难度。提取了气膜孔参数化建模的参数,提出了以一组气膜孔为对象的参数化建模流程及参数检查方法,解决了涡轮叶片设计过程中气膜孔反复修改耗时耗力的问题,从而提高了涡轮叶片的设计效率。     

基于归一化参数模型的涡轮盘和涡轮叶片蠕变分析

为完整描述构件3个阶段的蠕变变形计算,结合所发展的各向同性材料的归一化参数蠕变模型,进一步拓展到正交各向异性材料的归一化参数蠕变模型并进行适用性验证。应用所编制的子程序对高温材料涡轮盘和定向结晶材料涡轮叶片结构,进行了蠕变变形及应力松弛效应计算分析。结果表明：经过一定时间的蠕变变形,涡轮盘和涡轮叶片的高应力区会出现应力松弛。总体上轮盘的应力分布更加均匀,静力分析得到的轮盘中心孔、螺栓孔边和轮缘辐板过渡段处高应力区,由于存在蠕变变形,均出现较明显的应力松弛,但是盘中心孔处的应力松弛幅度较小,可能长时间处于高应力状态,应作为结构设计的危险部位重点考查;涡轮叶片也具有同样的应力松弛蠕变效应,特别是随着蠕变变形的增大,叶尖径向变形(位移)逐渐增大,在结构设计中,应考虑叶片叶尖与机匣长期工作径向碰摩而带来的不利影响。     

基于Bayes理论的航空发动机涡轮叶片维修决策

为了更可靠、更经济地实施航空发动机涡轮叶片维修决策,对Bayes统计推断理论在维修中的应用进行了探索。通过仿真试验,对比分析了维修人员在常规情况下根据维修经验和通过采样对叶片维修策略的选择。试验结果表明,基于Bayes统计推断理论的方法,对于航空公司决策者或维修人员进行维修决策是可行的和方便的。     

航空发动机涡轮叶片晶体测温技术研究

针对航空发动机涡轮叶片温度测量的技术难题,介绍了1种晶体测温传感器的技术特点与技术优势。结合晶体测温技术的工作原理简述了测温晶体的制造方法,论述了测温晶体的安装、拆除工艺和标定试验方法,并利用测温晶体测量了涡轮叶片表面温度。结果表明:测温晶体在发动机内流高温、高压、高速燃气流的冲击下和叶片高速旋转的工况下附着牢靠,未出现脱落的情况,试验成活率为100%,获取到了精确测点的温度值,是解决航空发动机涡轮叶片等热端部件特殊位置表面温度测量的1种方法。     

基于MDO体系的涡轮叶片热-结构耦合分析

在涡轮叶片参数化建模和气动分析基础上,开发了三维坐标插值程序,实现了学科间载荷信息传递;基于经验准则公式,开发了换热系数计算程序;在研究ANSYS软件参数化设计语言的基础上,利用插值及换热程序输出APDL参数化加载宏文件,实现了边界条件的精确加载;基于ANSYS软件APDL命令流,设计了涡轮叶片热分析模块及热-结构耦合分析模块,为建立涡轮叶片MDO体系奠定了基础。     

MT1涡轮导叶边界层拟序结构分析

采用自主开发的大涡模拟程序NUL-TURBO,对MT1高压涡轮导叶的跨声速流场进行了数值模拟。在对半叶高位置叶片表面等熵马赫数分布实验数据对比验证的基础上,研究了有无气膜冷却两种情况下叶片表面流场的拟序结构。结果表明:无气膜射流时,叶片吸力面近尾缘位置存在分离转捩过程,并在此过程中发现了发卡涡"森林"现象;有气膜射流时,射流出口位置叶片表面边界层直接转捩为湍流,并发现了叶片压力面逆转捩过程中存在的涡拉伸形态。