涡轮叶尖间隙泄漏流动主动控制数值模拟

结合基于压力修正的雷诺应力湍流模型加壁面函数的三维计算流体力学程序,对某一轴流涡轮转子采用叶尖间隙射流主动控制对泄漏流场的影响进行了数值模拟.结果表明:在涡轮叶尖表面选择合适射流孔位置进行射流可以提高涡轮转子效率,其中大间隙下通过射流孔组合射流可以提高涡轮效率0.35%,小间隙下可以提高0.3%;在射流孔区域靠近叶片表面处流场结构中鞍点数和结点数相等,满足奇点总数规律.      

光滑楔形通道径向末端射流冲击冷却换热特性研究

为了研究在旋转状态下射流冲击冷却在楔形通道径向末端的冷却效果,在主流通道进口雷诺数为15000、旋转数为0或0.1的工况下,实验研究了不同射流孔位置、射流流量条件下的楔形通道沿程壁面换热规律。研究结果表明:射流孔附近的通道壁面换热系数被极大地增强,但冷却效果被限制在一定范围内;射流对通道内侧的影响范围要大于中部和外侧,但增大射流流量并不会增加内侧的换热系数;旋转工况下,射流影响区的换热对比静止基本上没有变化;在本实验工况下,射流不能强化沿通道径向射流孔后侧位置的换热;不同工况下的通道整体平均换热在10%以内,末端射流冲击对通道整体换热影响有限。     

滑油射流冲击旋转壁面的流动换热数值模拟研究

为研究射流流速与发动机转速对轴承腔旋转壁面冷却效果的影响,采用数值模拟方法研究了滑油射流冲击旋转壁面的流动与换热特性,重点关注和分析了中高转速下射流雷诺数Rej和旋转雷诺数Reω对于滑油流动和壁面整体及局部传热的影响。为体现不同工况对壁面换热的影响,分别采用了壁面平均传热量、壁面努赛尔数、局部平均努塞尔数进行了综合换热分析。研究结果表明,随着射流流速增加,壁面附着油量增多,壁面平均传热量与局部换热分别增加约32%和40%;而随着壁面转速增加,壁面附着油量下降,壁面平均传热量减少约13%,局部换热增加约62%。     

双排孔顺-逆射流组合方式对气膜冷却的影响

为了挖掘逆向射流气膜冷却潜力,数值模拟研究了顺向射流和逆向射流不同组合方式的双排孔气膜冷却叠加特性。吹风比变化为0.3～1.4。结果表明,展向平均气膜冷却效率数值模拟结果与实验值偏差小于9%。逆向射流在气膜孔出口产生的回流涡强化了气膜展向扩散,吹风比越大,强化效果越明显。吹风比为1.4时,与顺向射流+顺向射流组合结构的叠加区气膜冷却效率相比,上游顺向射流+下游逆向射流组合结构展向平均气膜冷却效率提高17%～233%,面平均气膜冷却效率提高64%;逆向射流+逆向射流组合结构展向平均气膜冷却效率提高0～410%,面平均气膜冷却效率提高62%;上游逆向射流+下游顺向射流组合展向平均气膜冷却效率提高16%～70%,面平均气膜冷却效率提高44%。     

表面凸起对机翼热气防冰腔内换热强化的影响

采用数值模拟对比研究了光滑表面和具有表面凸起结构热气防冰腔内湍流流动的换热特性。机翼防冰腔内笛形管具有三排射流孔,射流孔角度有0°±45°组合以及0°±30°组合。为了强化射流冲击光滑表面的流动换热,在防冰腔内表面正对射流孔的射流冲击区,设计了表面凸起结构,用来强化射流对壁面的冲击换热效果并起到引流作用。通过改变射流孔射流角度研究了射流角度对传热特性的影响。计算结果表明:与光滑防冰腔内表面射流冲击换热相比,表面凸起结构可以将均匀发散的壁面射流集中为高速壁面射流,提高壁面射流区的对流换热系数,从而增强射流冲击换热效果,机翼前缘的强化换热效果尤为明显。     

斜出口合成射流组流场特性PIV实验研究

提出了斜出口合成射流组的概念,应用PIV相位锁定技术对典型单缝、双缝和三缝斜出口合成射流组非定常流场结构进行了测试,并对出口间距比参数变化对斜出口合成射流组沿壁面的动量输运影响特性进行了探讨。结果表明：三缝斜出口合成射流组具有更强的沿壁面动量输运特性,具有更高的合成射流激励器能量利用效率。相邻射流出口间距比是影响斜出口合成射流组动量输运的重要参数,研究结果指出当间距比S/H＝3．0时,斜出口合成射流组具有较强的沿壁面动量输运特性。     

不同组合方式双排孔射流气膜冷却特性研究

基于计算流体力学理论建立了气膜冷却射流的控制微分方程。采用Fluent对不同组合方式下双排孔射流气膜冷却特性进行了计算研究。根据实际工况,分析了不同吹风比下,上游孔顺向射流+下游孔顺向射流、上游孔顺向射流+下游孔逆向射流、上游孔逆向射流+下游孔顺向射流、上游孔逆向射流+下游孔逆向射流共4种不同组合结构的气膜冷却特性。结果表明,吹风比为0.3时,上游孔顺向射流+下游孔顺向射流组合展向平均气膜冷却效率较高,达到0.15左右;吹风比为0.8时,上游孔逆向射流+下游孔顺向射流组合展向平均气膜冷却效率较高,达到0.18左右;吹风比为1.4时,上游孔逆向射流+下游孔顺向射流组合展向平均气膜冷却效率,可以达到0.24左右。研究结果对涡轮叶片气孔结构设计有重要参考价值。     

脉冲爆震燃烧室管壁冲击冷却效果的数值研究

根据实验测量的脉冲爆震燃烧室壁温沿程分布,推算出符合脉冲爆震燃烧室特定频率下的准稳态热流阶梯分布;在此基础上,针对叉排阵列射流冲击冷却的脉冲爆震燃烧室壁面温度分布进行了数值计算.研究表明,由于冷却气流通道端壁效应的影响,靠近爆震燃烧室尾部的射流孔的冲击射流速度较大,热流最大的燃烧室尾部管壁的温度可以得到有效的降低,而燃烧室中部的射流由于受到前排射流形成的横流影响,对管壁的冲击冷却效果较弱,使得壁面温度的峰值向中部转移.在相同的环形冷却通道进口雷诺数下,阵列射流孔宜布置在脉冲爆震燃烧室中部,射流冲击间距比Z_n/d=1.5时,管壁的峰值温度最低而且整体的平均温度最小,较小的冲击孔直径对应的冲击冷却效果较好.      

端壁合成射流对高负荷涡轮叶栅涡系结构和流动损失影响的数值研究

为探究端壁合成射流对高负荷涡轮叶栅中涡系结构和流动损失的影响,采用非定常数值模拟方法分析了不同激励参数下合成射流对Durham叶栅流动损失的控制效果以及涡系结构和流动损失的对应关系。结果表明,合成射流减小了前缘马蹄涡和通道涡的尺度,削弱了来自相邻叶片压力面的横向涡,略微增强了壁角涡,并间接削弱了壁面涡;在无量纲幅值和频率分别为0.073和1时,控制效果最佳,总压损失系数减小约为10.72%;从控制机理上讲,合成射流加强了主流和射流下游边界层的掺混,增加了边界层动量,从而削弱了马蹄涡;合成射流影响了叶片压力面的流动分离,改变了由于分离产生低能流体的位置和范围,从而削弱了横向涡。由于漩涡的削弱,流动损失也随之减小。     

合成射流与横向主流作用的流场数值分析

建立了将合成射流激励器腔体、出口喉道、外部流场作为单连域计算处理的吹/吸型边界模型。在此基础上,对横向主流偏转角及上下壁面压力变化进行了讨论。计算结果表明,激励器布置位置是影响主流偏转角的重要因素,在主流通道内侧,激励器与主流出口之间的上下壁面压力差较大。文中还对两种不同模式下合成射流对主流的控制效果做了比较。     

零质量自耦合射流控制喷流矢量实验

以压电陶瓷振为激振源的自耦合射流激发器,在发射孔产生一系列平均质量流率为零的涡环,对垂直布置的主流产生复杂的相互作用,使主流实现矢量偏转。研究了自耦合射流激发器自身机理和自耦合射流使主流实现矢量偏转的实验,在实验条件下,自耦合射流使20m s流速的主流产生了最大17°的矢量偏转。     

不同出口倾角合成双射流流动特性及边界层控制

基于合成双射流全流场计算模型———X-L模型,对不同出口倾角合成双射流的流动特性进行了数值研究。平直出口合成双射流激励器工作时,合成双射流在出口下游相互作用融合成一股射流,且合成双射流间有"自给"现象的发生;倾斜出口合成双射流激励器工作时,在激励器出口下游会形成一股沿壁面的流动,该壁面流可以对周围流体进行有方向的能量和质量输送;随着激励器出口倾斜角度的增大,合成双射流间"自给"现象减弱,沿壁面流速度增大。然后,对不同出口倾角合成双流激励器进行边界层流动控制进行了初步研究。结果显示,合成双射流激励器可控制边界层流动,通过改变激励器出口倾角可以实现对边界层内速度型"饱和"程度的控制。     

孔壁通透率对平面附壁射流的影响

本文研究了不同壁面通透率对平面附壁射流动态特性的影响。实验结果表明孔壁减弱、甚至消除了流场中的低频摆动现象。随着孔壁通透率的增加,射流时均附壁点向下游逐渐移动,射流和壁面之间的回流区长度逐渐增大,而射流内侧剪切层内的涡旋与壁面之间的相互作用减小,壁面压强脉动强度变小,附壁射流的动态特性逐渐向自由射流转化。当孔壁通透率为40％左右时,射流与二维平面自由射流类似。距离射流出口不同位置上的壁面脉动压强之间的互谱表明,当孔壁通透率增大以后,射流内侧剪切层中的旋涡向下游传播距离变得更长,传播速度加快,这说明低孔壁通透率情况下的附壁射流中存在的低频摆动现象阻碍了剪切层高频旋涡向下游的发展。     

自耦合射流流动特性的PIV实验研究

采用三维粒子图像测速仪(PIV)对具有相同出口面积的圆孔喷口和狭缝喷口自耦合射流激发器外部流场特征进行了实验研究.结果表明:狭缝喷口自耦合射流与圆孔喷口自耦合射流的形成过程相同,都经历了涡环产生、发展、破碎融合的周期性过程,在某个法向距离上形成较为稳定的连续性射流.时均流场分布表明狭缝喷口自耦合射流的流场型面较宽,扩展角度较大.狭缝短轴方向和圆孔水平方向上自耦合射流的时均速度曲线呈现规则的对称分布和速度自模的特征,而狭缝长轴方向自耦合射流在靠近喷口处的速度分布呈现马鞍状,这一特征随着法向距离增大而逐渐消失.      

The effects of pulse frequency and duty cycle on the skin friction downstream of pulsed jet vortex generators in an adverse pressure gradient turbulent boundary layer

An investigation on the viability of pulsed jets as active vortex generator devices was conducted. The devices were installed and tested on an adverse pressure gradient turbulent boundary layer designed to simulate the suction side of a conventional aircraft wing. Both co-rotating and counter-rotating jet geometries were used. The duty cycle and frequency of pulsation were varied and their effects were investigated by measuring the skin friction gains at a predefined location (the location of the minimum skin friction for the un-actuated situation) on the adverse pressure gradient turbulent boundary layer. Pulsing the jets proved to be successful in increasing the wall skin friction and therefore potentially delaying separation. The improvements in wall shear stress were approximately proportional to the duty cycle. The frequency of jet pulsation was found to be important for attaining optimal gains, however no clear relationship between frequency and shear stress gain was observed. Phase averaged wall shear stress measurements far downstream of actuation indicate that quasi-steady structures are introduced by the vortex generators when actuating with a sufficiently high pulse frequency. In this situation interactions between successive structures produced by the jets were likely to be occurring.     

多股自耦合射流相干流动和换热特性数值研究

采用数值模拟的方法对多股自耦合射流在相干条件下的流动和换热特性进行了研究.研究结果表明:三股自耦合射流都在出口附近耦合成一股射流向下游运动,两侧的射流受到中间一股射流的卷吸融合在一起,融合后仍然是一股沿中心线对称的自耦合射流.在短轴中心截面自耦合射流型面较宽,射流喷出后在下游的扩展角度大,而长轴中心截面射流的型面较窄,扩展角度较小.在冲击靶板上,整个冲击区域呈现出中心温度最低的近似圆形的对称性分布,对流换热系数曲线呈现出中心对称的波峰分布形状,表明自耦合射流驻点区换热最强.对流换热系数沿靶板不同方向的分布趋势基本保持一致.      

翼型分离流动主动控制实验

设计制作了两种布局形式的压电式合成射流致动器, 采用热线风速仪在静止环境下对长方形喷口的速度场进行了测量, 结果表明致动器喷口法向喷出最大速度可达到21.32 m/s.开展了基于合成射流技术的翼型分离流动主动控制实验, 致动器采用倾斜喷出时速度为10 m/s量级, 有效推迟了翼型表面流动的分离, 改善了翼型的失速特性, 最大升力系数提高11.36%, 失速迎角增加3°.与此同时发现动量系数达到10-3量级时分离流动主动控制效果显著, 动量系数小于10-4量级分离流动控制将几乎没有效果.      

激波诱导矢量喷管流场的数值模拟及试验

为研究固体火箭发动机激波诱导矢量控制效率的影响因素,及验证数值模拟方法的准确性,对激波诱导轴对称推力矢量喷管模型进行了壁面测压试验,采用二阶精度Roe格式和k-ωSST两方程湍流模型求解强守恒型Navier-Stokes方程对矢量喷管复杂干扰内流场进行数值模拟。根据试验和数值模拟结果分析了喷管内主流和次流相互作用产生的复杂流场结构,比较了在不同喷管落压比NPR和次主流压力比SPR下喷管壁面静压的分布情况。结果表明,数值计算和试验结果基本吻合,验证了计算方法的准确性;在一定范围内减小喷管落压比,增大次主流压力比可以增大喷管周向壁面静压差,提高喷管的推力矢量偏角。     

合成射流控制高速扩压叶栅二次流的数值模拟

数值研究了合成射流控制高速扩压叶栅角区分离,并揭示其推迟分离、降低损失的作用机理。研究发现:合成射流可以显著改善叶栅内流场的时空结构,叶栅出口时均总压损失系数最大降低19.8%,静压系数也提高了近8.8%。合成射流通过周期性地吹/吸气有效控制角区分离,吹气阶段的高动量射流流体增大了吸力面附面层及角区流体的能量,吸气阶段则借助于附面层抽吸作用有效减少了高熵、低能流体的堆积,从而增强了角区流体抵抗流向逆压力梯度的能力、并推迟流动分离,且吸气阶段的流动控制效果明显更好。射流角度和射流动量是影响合成射流作用效果的重要参数,近切向的合成射流有利于向附面层注入动量,增大射流动量也有助于增强流动控制效果。析因设计研究表明,射流角度的影响效应更为显著,但与射流动量之间并不存在交互作用。      

边界层吹吸气对高负荷扩压叶栅性能的影响

采用边界层流动控制能够有效抑制扩压叶栅的流动分离。以某大弯折角低稠度扩压叶栅为研究对象,利用数值模拟手段研究了原型、叶片表面边界层单独吹气以及吹吸气相结合等边界层控制手段下的流场和叶栅性能变化情况。结果表明,无论是单独吹气还是吹吸气相结合的边界层控制方法,都能有效控制扩压叶栅中的边界层分离,从而较大幅度地增大叶栅负荷,并降低气动损失;计算表明,吹气和吸气的效果不尽相同,且吹吸气口位置及吹吸气流量对边界层的流动亦有较为明显的影响。其中采用1.7%的吹气流量,结合1.38%的吸气量,可以使静压增压比提高15%以上,而损失系数降低至原型的20%以内。