单转子轴流压气机涡动力学失稳机理研究

为了研究单转子轴流压气机的涡动力学失稳机理,采用基于Shear Stress Transport(SST)湍流模型的尺度自适应雷诺平均/大涡(RANS/LES)混合模拟的方法对低速单转子轴流压气机进行了非定常数值模拟。研究结果表明:在设计转速3kr/min条件下,叶顶泄漏涡、二次泄漏涡以及诱导涡破碎引起的叶顶区域的堵塞是触发单转子轴流压气机内部流动失稳的主要因素。压气机由近堵塞工况点向小流量工况点逼近的过程中,叶顶泄漏涡轨迹与轴向的夹角由70°增加到76°,二次泄漏涡起始点位置前移加速叶顶泄漏涡向转子前缘移动。近失速工况点叶顶泄漏涡的轴向动量与主流的轴向动量之间存在一种平衡,叶顶泄漏涡稳定在转子前缘。压气机进一步节流主流的轴向动量减小,对叶顶泄漏涡轴向动量的抑制能力减弱,叶顶泄漏涡的位置不再稳定,诱发尖脉冲型失速先兆。     

转子叶顶间隙泄漏流轨迹前移的动力学机制

为了揭示压气机转子节流时其叶顶间隙流动的演变趋势及其形成机理,选取某亚声速轴流压气机转子为研究对象,采用多通道非定常数值计算方法对其内部流场进行了全三维数值模拟.结果表明:随着压气机转子流量减少,主流轴向动量减小,而在叶顶间隙两侧压力梯度和二次泄漏流的共同作用下,叶顶间隙泄漏流的轴向动量却不断增大,导致叶顶间隙区域内泄漏流与主流的轴向动量比不断增大,从而推动叶顶间隙泄漏流与主流的交界面不断向上游移动,这意味着叶顶间隙泄漏流在叶顶通道内造成的流动阻塞区不断扩大,正是叶顶间隙泄漏流相对于主流的增强造成的叶顶流动阻塞区不断扩大最终导致了该压气机转子进入失速状态.     

叶顶不同位置喷气对涡轮间隙泄漏流动的影响

为研究叶顶喷气位置对涡轮间隙泄漏流动的影响,在低速条件下用五孔探针对不同叶顶喷气位置和间隙大小的涡轮叶栅出口进行了详细的测量,并通过数值计算对叶顶间隙三维流场进行了对比,分析叶顶不同位置喷气对三维流场和损失的影响。结果表明:叶顶喷气对泄漏流动的影响随间隙尺寸增大逐渐减弱,小间隙时喷气明显抑制了泄漏流动动能,在降低因泄漏涡所引起损失的同时增加了因通道涡产生的损失,靠近吸力边喷气方案使得泄漏涡损失峰值下降达48.6%,而通道涡损失峰值增加10.4%;大间隙时泄漏流动动能较大,喷气对泄漏流动的影响较小;通过减小泄漏流动动能以削弱泄漏涡与通道涡的相互作用,控制较大三维流动分离的发生,可有效改善流道内间隙侧的流动。     

周向弯曲叶片叶顶泄漏流随流量变化特性数值研究

对带有周向前弯和周向后弯叶片的低压轴流风机,叶顶泄漏流动随流量变化特性进行了数值研究和实验校核,探讨了随流量减小,周向弯曲对叶顶泄漏涡的起源和发展规律的影响.性能计算结果与试验测量较为吻合,计算结果表明:随着流量减小,泄漏涡起源向前缘方向迁移,周向弯曲使泄漏流与主流掺混加剧;周向前弯叶片泄漏涡的起源距叶片前缘最远,涡强度最弱,移动最缓慢;周向前弯稳定叶顶流动,降低端壁损失,扩大稳定工作范围.      

压气机叶顶泄漏流振荡周向传播特性的数值模拟

通过对一低速轴流压气机转子的叶顶泄漏流的振荡特性进行数值研究,发现在大流量工况下,叶顶流场随时间不发生变化.随着流量减小,叶顶流场逐渐产生脉动,同时叶顶泄漏流发生周期性振荡,表现为叶顶泄漏涡的产生位置、涡结构形态及撞击在相邻叶片的位置随时间发生变化.叶顶泄漏涡及其导致的脱离涡会导致相邻叶片表面产生低压区,因此叶顶泄漏涡的振荡导致了叶片顶部压力分布的脉动,进而影响了相邻流道叶顶泄漏流的产生.这个叶顶泄漏流与相邻叶片的干涉作用是叶顶流场产生振荡的主要原因.而且,叶顶泄漏流在相邻流道间的振荡状态存在相位延迟,这导致了一个以非叶片数为周期的流动扰动结构绕转子旋转.      

超高负荷涡轮叶栅叶顶间隙流动特征及间隙高度的影响

采用数值模拟方法研究了超高负荷涡轮叶栅叶顶间隙流动特征,详细分析了泄漏涡、叶顶分离涡、上通道涡等的流动细节,在此基础上分析间隙高度对流场特征和叶片负荷的影响.结果表明:超高负荷涡轮叶栅叶顶间隙区域存在多种形式的流动分离,泄漏流非常强烈,不仅直接影响上通道涡的形成与发展,使通道涡整体向叶根移动,而且部分泄漏流进入下通道涡;随着间隙高度增加,叶顶分离涡和泄漏涡均明显增强,叶片负荷尤其是叶顶负荷有所降低.      

叶顶抽吸对叶栅间隙泄漏流动的控制研究

为了控制压气机叶尖间隙泄漏流动,减少叶尖泄漏流和泄漏涡对压气机内部流场带来的不利影响,数值模拟研究了在压气机叶栅叶顶位置沿叶片中弧线开槽抽吸对叶尖泄漏流的控制效果,并与端壁流向开槽抽吸方案进行了对比分析。研究结果表明:叶顶抽吸和端壁抽吸直接通过影响叶尖泄漏流的结构形态,减弱间隙泄漏流强度和影响范围,从而提升压气机/叶栅性能。叶顶中游抽吸方案Slot TB对于泄漏流与泄漏涡的控制效果优于叶顶上游抽吸方案Slot TA;而机匣端壁上游抽吸方案Slot CA相较于中游抽吸方案Slot CB对叶顶流场改善效果更佳。叶顶抽吸和端壁抽吸在抽吸量为0.6%时分别可以使总压损失系数下降约3.3%和7.2%。     

涡轮间隙泄漏涡破碎对损失的影响

采用数值方法联合标准k-ω两方程湍流模型求解雷诺平均Navier-Stokes方程组,研究了不同间隙高度下GE-E³（Energy Efficient Engine）涡轮第一级动叶顶部间隙泄漏涡（TLV）的破碎特性及其对泄漏损失的影响。首先描述了泄漏涡的破碎现象,并对其动力学特性进行了理论分析,接着研究了间隙高度对泄漏涡结构及破碎特性的影响,最后对泄漏涡破碎与损失的关系进行了探讨。研究结果表明：涡轮叶顶间隙泄漏涡具有不稳定特性,当泄漏涡具有足够的强度可以克服通道涡卷吸形成完整涡结构时,在叶片后半部分逆压区发生了涡破碎现象,带来了额外的涡破碎损失;间隙高度对泄漏涡破碎位置的影响比较明显,在大间隙下泄漏涡趋于相对稳定;叶顶泄漏流产生的掺混损失以泄漏涡的破碎为标志分为两个阶段,大量的掺混损失发生在泄漏涡破碎之后,这也是叶顶泄漏流产生损失的主要部分。     

压气机转子叶尖区域流动特征的观测与分析

为了揭示压气机转子内部真实流动的演化过程并分析其背后的流动机制,采用示迹线显示空气流动的方法对某低速轴流压气机转子流场进行了直接观测,同时结合多通道非定常数值模拟技术分析了转子叶尖区域流动特征及其形成机制.结果表明:叶片上的示迹线直观形象地显示了转子内部复杂流动随压气机工作状态变化的演化过程.即随着压气机转子节流,叶顶间隙泄漏流的轨迹不断向上游移动,到达近失速工况时,泄漏流与来流的交界面与转子叶顶前缘平齐,与此同时转子叶尖吸力面附近出现了大面积的回流,且回流的气体均向叶顶前缘聚集.通过进一步研究发现叶顶间隙区域内泄漏流与主流的轴向动量之比随转子流量系数减小而不断增大是导致泄漏流轨迹前移及叶顶回流区扩大的物理机制.     

间隙高度对自发射流抑制叶尖泄漏的影响

通过数值求解三维定常黏性雷诺时均N-S方程,获得了单孔叶尖自发射流条件下不同叶顶间隙的叶栅流场,对比分析了间隙高度对自发射流与叶尖泄漏流相互作用特性、叶尖泄漏流量以及叶片载荷的影响.结果表明:当叶顶间隙高度为1mm(t/H=0.5%)时,自发射流对泄漏流有明显的阻挡作用,泄漏流量比减少0.06%,同时叶片载荷增加1.39%.当叶顶间隙高度增大到4mm(t/H=2%)时,自发射流的阻挡作用及对叶片载荷的增加作用基本消失;减小间隙高度可以有效提高自发射流的控制效果,同时降低因分离造成的流动损失;自发射流的存在显著改变了间隙流场分布及叶尖吸力面附近静压系数分布,计算发现当泄漏流绕自发射流流过时,下游流场出现类似卡门涡街的涡分布现象.      

移动端壁对压气机叶栅中叶尖泄漏流动的影响

对一压气机平面叶栅进行全三维数值模拟,分别对两种不同叶尖间隙情况下,移动端壁对叶栅性能及泄漏流流动结构的影响进行分析。详细对比了不同条件下,叶栅损失,泄漏涡传播轨迹及影响范围,泄漏流量等参数的变化,同时通过三维流线结构的对比,对泄漏流在间隙中的流动特点及其在通道中与主流的相互作用进行分析。结果表明:移动端壁加入使泄漏流量增加,泄漏涡传播轨迹向远离吸力面,靠近端壁的方向偏移,削弱通道流与泄漏流之间的剪切作用,改变通道中的各个二次流动结构所占比例。间隙较小时,移动端壁的影响主要集中在端壁附近,而间隙较大时,移动端壁能够抑制叶顶分离涡,从而影响整个间隙中泄漏流的速度分布,进一步削弱通道流与泄漏流动之间的剪切作用。      

液环泵叶轮叶片轴向叶顶间隙微射流流动机理及性能分析

液环泵的轴向间隙泄漏流对其水力性能有重要的影响,为了抑制其叶片轴向叶顶间隙泄漏流动,提升水力性能,以2BEA-203型液环泵为研究对象,在叶片轴端间隙引入微射流,采用数值模拟方法对比分析微射流对间隙泄漏流场及液环泵性能的影响机理。分析结果表明:轴向间隙射流能够有效地抑制间隙泄漏,液环泵的效率及真空度均在一定范围内提升。叶片轴向间隙内射流孔出口处会形成一相对高压区,微射流排挤占用一部分间隙的流道,部分射流与压力面泄漏流相互作用形成间隙涡,阻滞泄漏流动,使得叶片间隙泄漏流强度降低,叶片背面后方的泄漏涡前移。液环泵叶轮轴向间隙泄漏流存在复杂的时空分布特征,湍动能分布由吸气区沿叶旋方向逐渐增强,受微射流抑制作用,射流型叶轮间隙吸力面侧的湍动能强度要明显弱于原型叶轮间隙;泄漏流强度沿弦线方向逐渐减弱,微射流的部分流体沿弦线方向流入叶片轴向间隙,排挤占用下游间隙的流道,提升了叶顶间隙的密封性能。      

微尺度离心叶轮间隙泄漏流动堵塞模型

通过理论分析结合数值模拟,开展了针对微尺度离心叶轮间隙泄漏流动堵塞模型的研究.结合微尺度旋转机械低雷诺数和高马赫数的工作条件,建立了考虑可压缩性和黏性损失的间隙泄漏流动堵塞模型.通过数值模拟分析了微尺度间隙泄漏流动特征及黏性在其中的作用,判定黏性作用对间隙泄漏流动的驱动作用不可忽略,黏性作用与压差作用对间隙泄漏流动的驱动作用效果相当.同时,黏性作用还会导致间隙泄漏流动的初始堵塞增大.采用某微尺度离心叶轮对间隙泄漏流动堵塞模型进行了验证,从数值计算结果中提取气动堵塞结果并与模型预测结果进行对比,表明改进的间隙泄漏流动堵塞模型能更准确地对间隙泄漏流动堵塞进行评估,在微尺度条件下具备更好的适用性.      

轴流压气机转子叶尖间隙流动结构的数值研究

为进一步加深对轴流压气机转子叶尖间隙内泄漏流/涡流动结构的认识,针对某台用于高压压气机低速模拟的四级重复级大尺度轴流压气机上的转子,采用定常数值方法开展了详细的研究。首先用已有的试验结果校核了计算方法的可靠性,随后研究了设计点工况下端区复杂流动结构和流动损失的机理,最后比较了无叶尖间隙和不同叶尖间隙大小的轴流压气机转子端区流动结构的差别,以及设计点和近失速情况下叶尖泄漏涡结构、泄漏流/主流交界面、端壁堵塞以及端壁损失的区别。结果表明,在62.5%间隙高度以下的叶尖区域内,从前缘叶尖间隙流出的流体会卷吸成叶尖泄漏涡,且随间隙高度的增加其占据的叶尖泄漏涡的位置由内而外;而在62.5%间隙高度以上,从转子前缘间隙内流出的流体不会卷吸成叶尖泄漏涡,随间隙高度的增加流动受叶尖泄漏涡的影响越来越小,更易出现二次及多次泄漏,且所占据的弦长范围也更宽广;设计状态下,叶尖泄漏涡在向下游发展的过程中会逐步膨胀,并与主流强烈掺混,无量纲流向涡量迅速减小,但无量纲螺旋度值显示其仍能保持集中涡的特征。     

跨声速风扇转子间隙流动结构分析

为探索跨声速转子间隙流动结构,归纳间隙泄漏涡（TLV）和激波相互作用机理,以跨声速转子为研究对象,数值模拟不同间隙下流动特性.此外,着重探究TLV与激波的相互作用,斜激波受到间隙泄漏流的干扰,被削弱打断向上游凹曲;建立三维模型,加深对跨声速叶尖区域流动的全面认识.研究表明:随间隙增大,相同流量下,效率越小,压比也越小;TLV强度更大,偏离吸力面程度增大,沿周向和展向影响范围都越大.压力差提供泄漏流迁移动力,间隙提供泄漏流形成通道.选取h/c=1.0%间隙,随着间隙高度的增大,泄漏流周向运动趋势更明显且二次泄漏现象更剧烈;沿泄漏流方向无量纲流向涡量有少量减少,无量纲螺旋度较高,集中涡特性明显.      

亚声速半开式离心叶轮叶顶间隙的流动特征

针对半开式离心叶轮的间隙泄漏和间隙气流对气动性能的影响,采用数值方法分析了3种叶顶间隙值下叶轮的气动性能、设计工况下的叶片载荷分布、间隙流动气流角以及泄漏涡的分布特征.结果表明:叶轮叶片表面的压力分布规律不受叶顶间隙的影响,但叶片载荷在叶片的中后部有不同程度的减小;间隙处的内泄漏流动本身引起的流动损失较小;与零间隙相比,间隙处的内泄漏气流对流道前半段主流的影响甚微,但在流道中部以后,间隙流扰乱了主气流方向,并在叶顶吸力面附近形成涡流聚集区,造成明显的熵增,带来不可忽视的能量损失.希望所得结果能为建立半开式离心叶轮的间隙气动模型提供参考.      

突肩叶尖尾缘开槽对间隙流动换热特性的影响

通过数值计算对带有尾缘开槽结构的突肩叶尖间隙流场结构、泄漏流量、泄漏损失、表面传热系数进行了对比研究.研究结果显示:相比全突肩叶尖,吸力侧尾缘开槽突肩叶尖可以改变开槽附近泄漏流的流动路径,有效抑制其与主流的掺混.压力侧尾缘开槽和吸力侧尾缘开槽均会增加间隙泄漏流量.压力侧尾缘开槽突肩叶尖会增加间隙泄漏损失,开槽长度越大损失越大.研究范围内的吸力侧尾缘开槽均会减小间隙泄漏损失,但存在最佳开槽长度.压力侧和吸力侧尾缘开槽均会轻微地增加叶尖表面传热系数.