正攻角状态下尾迹对低压涡轮附面层的渗透及转捩的影响

为研究正攻角状态下尾迹对低压涡轮附面层的渗透以及转捩过程的影响,分别在设计攻角和+10°攻角下,对高负荷低压涡轮叶型的吸力面附面层流动进行了数值模拟与实验。数值模拟使用CFX软件,采用大涡模拟模型。结果表明+10°攻角下,尾迹对附面层转捩过程的促进作用比设计攻角下更为显著,这是由于正攻角下的尾迹中心射流与吸力面切向的夹角更大,使得尾迹扰动渗透入附面层的深度更深,尾迹放大Klebanoff条纹强度更强,尾迹诱导转捩起始位置更靠上游。     

尾迹对低压涡轮吸力面附面层流动的影响

为研究尾迹对低压涡轮叶片吸力面附面层流动特性与转捩过程的影响,利用商用CFX软件进行数值模拟,并辅以试验校核。着眼于附面层瞬态分析,在1个尾迹扫掠周期内,对吸力面附面层内Klebanoff条纹、KH结构、涡等瞬态结构进行研究。结果表明：在尾迹间歇期,尾迹诱导湍流区和抑制区仍在影响叶片尾缘附面层的发展,分离泡在抑制区上游重新生成;尾迹接触叶片前缘后,产生尾迹放大Klebanoff条纹,其前缘以88%的主流速度向下游运动,随后尾迹接触附面层并与分离泡作用,触发剪切层的KH不稳定性形成全展向KH卷起涡,而尾迹诱导转捩起到了抑制分离泡的作用;尾迹放大Klebanoff条纹将追赶并冲击全展向KH卷起涡,使其崩溃为局部KH涡并最终破裂成全湍流。     

来流条件对超高负荷低压涡轮附面层非定常特性影响的实验研究

为深入探索尾迹与附面层的相互作用机理及其对叶型损失的影响,对IET-LPTA后加载超高负荷低压涡轮叶型的定常与非定常气动特性进行了实验研究。实验在低速二维叶栅风洞上进行,该风洞通过上游辐条对尾迹进行模拟,采用热线探针与三孔气动探针作为测试手段。实验发现上游尾迹在低Re状态下对吸力面分离具有较强的抑制作用,可以降低叶型损失。同时研究了不同雷诺数(Re)与来流湍流度(FSTI)对上游尾迹与附面层相互作用机理的影响,发现Re对叶型损失的影响是单向有利的,发现FSTI对叶型损失的影响是双向的。     

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.      

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。     

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.      

尾迹诱导下低压涡轮边界层转捩的数值模拟

为研究尾迹诱导下低压涡轮的边界层发展,采用基于三阶MUSCL-Roe格式、引入转捩准则后的一方程Spalart&Allmaras模型和隐式牛顿迭代时间推进的非定常雷诺平均计算方法,对上游运动圆柱产生的周期性尾迹作用下的T106低压涡轮叶片边界层转捩流动进行了数值模拟。定常来流下,准确捕捉到分离诱导转捩及雷诺数效应现象;尾迹作用下的非定常计算,则揭示了尾迹在叶栅通道内的输运过程,及尾迹对低压涡轮吸力面上层流分离的抑制作用。     

超高负荷低压涡轮非定常特性实验

针对某后加载超高负荷低压涡轮叶型的定常与非定常气动特性进行了实验研究.结果表明:由于上游尾迹的作用,在低来流雷诺数与来流湍流度下,尾迹诱导转捩叠加自然转捩可以抑制分离、降低叶型损失.在一个尾迹通过周期,由于尾迹诱导转捩的作用,附面层分离周期性地放大、缩小.同时在吸力面速度峰值点下游观测到了尾迹被割裂为两部分的现象,形成了一个主尾迹与一个副尾迹.副尾迹同样可以诱导转捩,但强度较低,对分离抑制效果有限.      

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。     

尾迹/势流干扰对跨声速风扇静叶附面层流动影响的数值研究

为揭示尾迹/势流干扰下压气机静叶附面层的非定常流动机理,采用数值方法对单级高负荷跨声速风扇中径处的非定常流场进行模拟,针对尾迹/势流干扰下的静叶附面层非定常流动特征进行研究。基于尾迹/势流与叶片附面层干扰模型,通过叶片壁面摩擦力、近壁面附面层湍动能和壁面静压脉动,详细分析了尾迹和势流干扰下尾迹对高负荷静叶附面层流动状态的影响。研究发现:在非定常条件下,尾迹干扰能够"刺穿"静叶附面层,使得静叶附面层发生跨越转捩现象。尾迹和受其诱导的势流碰撞静叶前缘产生的压力扰动波在压力面附面层内以声速传播,影响压力面整个弦长的静压和摩擦力分布,而在吸力面上,扰动波的传播仅局限在前缘区域部分弦长上,吸力面和压力面传播现象不同与逆压梯度和曲面凸、凹形状相关。     

尾迹对低压涡轮端区非定常流动影响的数值研究

为提高尾迹对涡轮端区二次流影响的认识,利用尾迹降低端区损失,采用了数值模拟的方法对T106A非定常工况下的叶栅流动进行模拟,辅以实验进行校核。以上游尾迹对端区附面层的抬升作用和上游尾迹对叶栅通道前部涡系结构的破坏作用为切入点,分析尾迹对端区二次流非定常发展过程的影响。研究发现尾迹中心离开叶栅通道时,尾迹对叶栅端区二次流起抑制作用;当尾迹尾部离开叶栅通道时,尾迹卷起的轮毂附面层激励了端区二次流,使二次流更加活跃。     

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。     

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。     

基于边界层转捩的高超声速进气道特性研究

为了探索边界层非强迫转捩对进气道性能的影响,采用数值计算的方法开展了边界层转捩对轴对称混压式高超声速进气道流场特性的研究。研究表明:随着进气道中心锥锥尖钝化半径增大,边界层转捩先推迟。当锥尖钝度大到一定程度时,边界层转捩位置前移。随着钝化半径进一步增大,边界层转捩再次推迟,转捩位置逐渐后移。来流湍流度越大,边界层越不稳定,边界层转捩越易发生。与湍流边界层相比,考虑边界层转捩时进气道的总压恢复系数及流量系数较高、热载荷及阻力系数较小,Ma=6.5时喉道处总压恢复系数最高上升17.3%,进气道阻力最大下降17.4%。边界层转捩对壁面热流密度分布影响较大,但对壁面压力分布影响较小。钝化影响进气道的自起动性能,随着钝化半径增大,自起动马赫数升高,而边界层转捩对进气道自起动性能影响较小。     

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。     

冲压叶栅边界层抽吸处理分析

为了提高冲压转子叶片的性能,通过数值模拟的方法研究了边界层抽吸技术在内压式冲压叶栅上的应用,结果表明,与未抽吸的工况相比,采取抽吸措施可以提高冲压叶栅的增压能力,且其增压能力随着抽吸流量的增加而提高。在喉口位置之前抽吸会增强抽吸缝后的激波强度;而在喉口以及喉口之后的亚声区进行抽吸可以增大叶栅扩张段的气动流通面积,这会使结尾激波向叶栅出口移动,有利于提高冲压叶栅的压比;在结尾激波之后的低能流体聚集区抽吸更有利于冲压叶栅总压恢复系数的提高。在喉口之后抽吸时,对于某一确定抽吸位置的工况,存在着使总压恢复系数最大的最佳抽吸流量;研究结果还表明,当抽吸流量固定时,在喉口位置抽吸比在其它位置抽吸更能提高冲压叶栅的增压能力。     

侧板边界层对正激波/边界层干扰特性影响的数值模拟研究

为了研究外压式进气道处于临界工况时结尾正激波同时与压缩面和侧板上边界层的相互干扰,专门设计了三组具有不同前伸长度侧板的简化构型作为研究对象,利用数值模拟手段评估了侧板边界层厚度对正激波/边界层干扰特性的影响。仿真结果表明,当没有侧板边界层参与干扰时流动呈现较好的准二维特性,但当侧板边界层参与干扰后将形成较强的角区干扰结构,该角区三维干扰结构与对称面上的准二维干扰结构存在此消彼长的关系。此外,波系的空间形态也将由“准二维λ波”结构变为“双λ波+角区压缩波”结构,波系形态的改变则进一步导致壁面回流区分布以及摩擦力线拓扑结构变得更加复杂。