整体涡对跨声速单转子性能和稳定性影响

为研究整体涡影响轴流压气机性能和稳定性的机理,设计了一种叶片式旋流发生器,并对旋流发生器和跨声速单转子进行了联合数值模拟研究.计算结果表明:反向整体涡导致堵塞点流量、进口攻角和总压比增加,效率和稳定工作范围降低;同向整体涡导致堵塞点流量、进口攻角、总压比和稳定工作范围减小,效率增加;反向整体涡导致50%叶高以上吸力面附面层分离以及叶尖泄漏流堵塞加剧是压气机失稳的主要原因.      

整体涡旋流畸变对压气机性能影响的研究

为了研究现代高性能战斗机更为曲折复杂的进气道所产生的旋流畸变对于压气机性能的影响,引入更为全面统一的旋流畸变评价指标,对旋流畸变进行量化和分类,并采用CFD技术对整体涡旋流畸变下轴流压气机的流场进行了数值计算,得到了相应的特性图。结果表明,正向整体涡旋流使压气机相应工作点的流量和压比减小,稳定裕度增大;反向整体涡旋流使相应工作点的流量和压比增大,稳定裕度减小,且旋流强度越大,变化程度越大。以旋流强度等于30°为例,遭遇正向整体涡时流量和压比的最大降幅分别为24.38%和0.28%,遭遇负向整体涡时流量和压比的最大增幅分别为15.90%和0.26%,在相同畸变强度下,正向整体涡对于压气机性能的影响程度更大。     

附面层抽吸对低雷诺数下压气机稳定性的影响

数值模拟了低雷诺数下附面层抽吸流动控制对跨声速压气机稳定性的影响。低雷诺数下附面层径向涡及其诱发的叶顶分离阻塞触发压气机流动失稳,通过在NASA Rotor 37跨声速轴流压气机转子叶片吸力面上设计抽吸槽,探讨了抽吸流动控制对低雷诺数下压气机性能和稳定性的影响．并对比分析了抽吸前后压气机流场特性的变化和抽吸流动控制提高低雷诺数下跨声速轴流压气机稳定性的作用机理。     

对涡旋流畸变对单级跨声速压气机性能影响的数值研究

为了评估弯曲进气道中显著的旋流畸变对压气机性能和稳定性的影响,利用CFD技术开展了Stage 35在对涡旋流畸变下的数值仿真,获得了对涡旋流畸变下的压气机特性线和流场分布,并与无畸变和正负整体涡时的情形进行了对比分析。结果表明:对涡旋流畸变会使压气机的性能和稳定裕度降低,且工作点处于同等强度的正负整体涡旋流畸变工作点之间,在90%换算转速和对涡旋流模式P2下,压气机换算流量、压比、温比、效率和稳定裕度的最大降幅分别为8.00%,7.24%,0.98%,9.64%和43.14%。这种影响主要取决于占主导的旋流畸变类型和不同类型旋流畸变对压气机性能参数影响程度的共同作用。同时压气机换算转速和旋流强度越大,压气机性能参数和稳定裕度下降越多。     

可控转速机匣转速对跨声速压气机转子流动稳定性的影响

可控转速机匣是一种通过控制机匣结构中的可转动环段旋转对叶顶间隙流场施加作用的机匣处理方式,可以一定程度上改善机匣处理中存在的效率下降以及难以完全适应变工况条件的难题。针对起始于动叶叶顶前缘、宽度为叶顶轴向弦长的可转动环段,对设计转速下的跨声速压气机转子流动稳定性的数值研究结果显示,随着可转动环段转速的增加,转子的稳定工作裕度逐渐提高,扩稳效果先弱后强,当可转动环段转速为转子设计转速时,在保证最高效率基本不变的情况下,稳定工作裕度提高了52.56%。可控转速机匣在较低转速时主要是通过减小叶顶的堵塞区实现扩稳,而高转速时则主要是通过抑制叶顶泄漏涡的破碎推迟失稳,不同转速下稳定工作裕度均有不同程度提升。     

跨声速压气机转子的二次流旋涡结构

为了明确跨声速轴流压气机内部流场结构,数值模拟了NASA Rotor37转子,结合λ2准则分析流场参数,探索流动的规律和旋涡结构。研究发现,压气机转子的旋涡模型主要由马蹄涡、壁角涡、径向涡、脱落涡、泄漏涡、诱导涡和分离涡等7个旋涡组成。马蹄涡吸力面分支耗散,压力面分支向相邻的吸力面发展。壁角涡与脱落涡位于叶根角区,引起流动损失和角区失速。径向涡位于激波后吸力面的分离区内,它扩大吸力面分离、引起低能流体向叶顶堆积。激波与叶尖泄漏在叶顶通道中形成3涡:泄漏涡、诱导涡和分离涡,而叶栅通道出口存在分离涡和由泄漏涡与诱导涡合成的叶顶通道涡。泄漏涡与诱导涡破碎在流道中间产生的堵塞区,分离涡造成吸力面尾缘的低速区,共同触发跨声速压气机的失稳。     

叶尖小翼对小流量跨声速压气机转子的影响研究

为了控制压气机转子叶尖泄漏流动,减少叶尖泄漏流和叶尖泄漏涡对压气机内部流场带来的不利影响,针对小流量压气机进口跨声速转子进行了叶尖小翼的数值研究,探索了叶尖小翼对小流量跨声速压气机转子性能的影响和对叶尖泄漏流的控制机理。研究表明,4倍压力面宽度的压力面叶尖小翼可以使得压气机转子的流量裕度增加24.5%;吸力面叶尖小翼和压力面叶尖小翼影响失速的主要因素不同,吸力面叶尖小翼增大了吸力面侧流体的逆压梯度,扩大了低速流体区域,压力面叶尖小翼通过降低叶尖负荷,从而减弱泄漏强度,减小了低速流体区域。     

湿压缩对压气机转子失稳边界工况性能的影响

针对某型跨声速压气机转子的失速边界工况,采用数值模拟方法系统研究了不同加湿条件对其性能的影响。获得了水滴粒径、速度、温度和喷水量与转子进气流量、压比、效率、比压缩功等性能参数之间的关系曲线。结果表明:在失速边界上对跨声速压气机进气加湿,可以增加空气流量,提高总压比和效率,降低比压缩功。通过对流场的分析,发现进气加湿后,向低能区注入了高动量的水滴颗粒,削弱叶顶阻塞团,将主流与泄漏流交界面和激波位置向下游推进,减小激波强度,降低叶顶载荷,增大主流区载荷,改善了叶顶流场。提出了以水滴的面积流量定量评价不同进气加湿条件对叶顶流场的作用效果。      

不同转速下叶尖间隙流对跨声速压气机失速的影响

为了研究不同换算转速下叶尖间隙流对转子失速的影响,对不同工况下叶尖间隙流动的特点进行了分析,讨论了压气机转子叶顶两个低速区的形成机理,以及该转子在多种换算转速下的失速机制。研究表明,转子失速是近压力面前缘和吸力面尾缘两个低速堵塞区共同作用的结果。二者的形成都与泄漏涡关系密切,前者是泄漏涡受激波干扰破裂而形成,后者是吸力面气流在泄漏流、吸力面二次流以及激波相互作用下而形成。不同换算转速下压气机失速机制不尽相同:在70%~100%换算转速,压气机叶顶失速主要是由于叶尖泄漏涡与激波相互作用而破裂;在115%换算转速,失速的主要触发因素为径向涡导致吸力面附面层低速气流向叶顶堆积。     

低雷诺数下跨声速压气机转子失速工况时流动失稳触发过程研究

采用非定常数值方法模拟了低雷诺数条件下NASA Rotor 37跨声速压气机转子内部流动失稳机制.结果表明,随着压气机失速工况的推进,附面层径向涡不断扩大和增强,由附面层径向涡引发的叶顶附面层分离阻塞区不断向叶片前缘移动,直至与叶顶压力面前缘附近由激波和间隙泄漏流诱发的阻塞区相结合,使叶顶通道来流完全被阻塞,最终触发压气机流动失稳.      

双级旋流杯结构变化对点火特性的影响研究

为了研究旋流杯文氏管和套筒结构的变化对燃烧室点火特性的影响,对两种结构不同的方案(方案A和B)进行了燃烧室点火性能试验,并对这两种方案燃烧室头部进行了气流速度场的粒子图像测速仪(PIV)测量及喷雾分布和粒径的测量。试验结果表明:旋流杯文氏管和套筒结构的变化对燃烧室的头部流场、喷雾分布和粒径有很大影响,导致了两种方案燃烧室点火性能差异很大,方案A的燃烧室头部中心回流区、旋转射流扩张角和旋流杯出口喷雾锥角比方案B小,而喷雾粒径大于方案B,方案B的点火性能比方案A有明显改善。     

旋流畸变对跨声速转子性能影响的数值研究

为了探究整体涡和对涡旋流对跨声速转子性能的影响,利用腔室型旋流畸变发生器产生旋流,并与跨声速转子进行联合仿真研究.结果表明:同向整体涡减小了叶片负荷与叶片表面及通道内的二次流分离,使转子的压比降低,效率升高;反向整体涡增大了叶片负荷,使流动分离损失增加,转子的压比升高,效率降低;对涡旋流可认为是同向整体涡和反向整体涡的...     

应用改进的平行压气机模型预测旋流畸变对压气机性能的影响

为预测旋流畸变对压气机性能的影响,采用改进的平行压气机模型探究了常见的整体涡和对称涡旋流畸变下压气机性能参数的变化。改进的平行压气机模型利用平均线模型获得输入进口条件下压气机各级的特性,将得到的级压比和温比等参数传递给平行压气机模型进行求解,进而得到完整的压气机特性。结果表明:同向整体涡作用下,压气机工作点压比降低,稳定裕度增大;反向整体涡使得压气机压比增加,稳定裕度减小;对称涡使得压气机压比降低,稳定裕度减小。以10°旋流为例,同向整体涡下压比的最大降幅达到15.2%,反向整体涡下压比的最大增幅为13.3%,对称涡下压比的最大降幅仅为4.6%。     

弯扭管道引起的旋涡畸变对离心压气机气动性能的影响

为了研究弯扭管道进气产生的旋涡畸变对离心压气机气动性能产生的影响,采用数值模拟及实验的方法进行研究。首先明确了管道出口截面二次流场结构随扭转角度的演化过程,发现随管道扭转角度增大,旋涡结构在孪生涡和偏置涡之间变化;当扭转角度等于90°时,管道出口近似呈现团涡结构。研究表明,与孪生涡相比,近似团涡的旋涡形式对压气机性能的影响更显著。在设计转速下,当近似团涡的旋涡方向与叶轮转动方向相同时,压气机压比和效率的下降量约达25%,并减小了喘振流量;而旋涡方向与叶轮转动方向相反时,压气机性能无明显变化,喘振流量同时增大。通过阐述不同叶高气流旋涡角度、旋涡强度与相对气流角之间的关联关系,发现叶轮进口气流旋涡在不同叶高位置上的旋涡角度和强度改变了叶片前缘相对气流角,进而对进气攻角产生明显作用。     

旋流数对分层旋流流场影响的大涡模拟研究

为了深入理解分层旋流流场特征和燃烧稳定性,采用OpenFOAM对分层旋流燃烧器的冷态和燃烧流场进行了大涡模拟.研究了旋流数对分层旋流流场结构和非稳态特性的影响.采用Q准则显示了流场中的瞬时涡结构;利用功率谱分析了流场中的进动特征.结果表明:在冷态工况下,旋流对回流区的位置和大小影响较小.随着旋流数增大,出口气流受到旋流...     

旋流数组合对三级旋流流场的影响

采用2D-PIV流场测试技术,试验研究了旋流数组合方案对流场特性的影响。试验针对旋向组合为“顺时针-逆时针-逆时针”的三级旋流器,测量了内级、中间级和外级旋流器旋流数分别为0.6,1.0,1.4(方案A)和1.4,1.0,0.6(方案B)两旋流数方案旋流流场。同时测试了不同来流雷诺数条件下两方案三级旋流器总压损失。试验结果表明:两旋流数组合方案均能形成较明显的中心回流区,方案B中心回流区较方案A“饱满”,方案B中心回流区回流速度大;进口雷诺数对旋流器流场中心回流区长度、尺寸有一定的影响;不同进口雷诺数条件下,方案A总压损失系数较方案B约大10%。     

翼身融合体旋流对单级轴流压气机性能影响的数值研究

为探究翼身融合体(Hybrid wing body, HWB)飞机发动机进口旋流对压气机性能和稳定性的影响,利用数值模拟的方法探究了单级轴流压气机在HWB旋流作用下的气动响应,获得均匀进气条件和旋流进气条件下的压气机特性线和流场分布。结果表明,HWB旋流导致压气机增压能力和效率下降,失速点流量增加,在100%,90%和80%换算转速下,压比最大降低幅度分别为0.52%,0.42%,0.38%,峰值效率分别下降了4.93%,5.74%,6.14%,喘振流量分别增加了2.43%,5.4%,2.94%。研究发现,压气机稳定工作边界由最恶劣的进气旋流区域决定,压气机失稳是HWB旋流中的反向旋流导致转子叶尖进气攻角增大、气流在叶片前缘溢流造成的。     

旋流器出口结构对旋流火焰的影响研究

为了更深入地理解非预混旋流火焰,采用大涡模拟（LES）耦合PDF燃烧模型,结合OH-PLIF及PIV同步测量实验,综合研究了两种通道结构对非预混旋流火焰模式的影响。结果表明,欧拉随机场PDF方法可以较精确地预测到旋流流场及精细的火焰结构,包括局部熄火。不同的通道结构将显著影响流场结构,由于湍流/化学反应的相互作用,火焰将会出现局部熄火及火焰抬升现象。由于无通道相比于扩张通道的回流区更小,局部熄火现象也更为严重。同时,在恰当当量比下,无通道结构的OH及CH₂O等中间基在低温区分布更为广泛,表明更多的低温化学反应得以进行,为下游抬升火焰的稳定提供了有利条件。