雷诺数对轴流压气机转子非定常流动的影响

针对某轴流压气机转子,结合地面试验采用5通道的数值模拟方法在两个海拔高度下对该转子进行数值模拟,分析雷诺数(Re)对压气机中非定常流动的影响。在地面条件下数值模拟绝对坐标系下的频率均落于试验旋转不稳定(RI)的驼峰频率带宽范围内。相对坐标系下相邻通道的数值监测信号互功率谱证明了压气机中周向扰动的存在。该周向扰动的产生是泄漏流与叶顶载荷分布周期性相互作用的结果。高空20 km下压气机中存在特征频率不同的多个周向扰动。此时在叶片近吸力面的尾缘处存在较大范围的流动分离区,由此引起的径向低能流体与叶顶间隙泄漏流相互作用,并共同影响叶顶载荷分布,引起低雷诺数下压气机流动非定常性周向传播。      

压气机叶顶流动不稳定性试验和数值研究

为了研究大叶顶间隙下压气机的流动失稳演化过程和物理机理,以某单级轴流压气机试验台为研究对象,利用布置于机匣壁面的动态压力传感器测量叶顶流场的脉动特征,利用全通道数值模拟获得与流场失稳发展相关的非定常流动细节。结果表明：随着流量减小压气机内部流动经历了稳定状态、旋转不稳定性和旋转失速3个阶段,叶顶泄漏涡的两种临界行为与不稳定性模式的转变有关。当叶顶泄漏涡移动到相邻叶片尾缘时,在与相邻叶片的干涉作用下开始随时间振荡,导致了小尺度的扰动沿周向传播,即旋转不稳定性。在近失速工况下,叶顶泄漏涡与主流交界面超过叶片流道进口平面,导致前缘溢流,并伴随着前缘径向涡的周期性产生、周向迁移和衰减。此时,前缘径向涡沿周向几乎呈均匀分布,构成了有序传播的扰动。随着压气机被进一步节流,前缘径向涡的有序传播被破坏,形成了局部聚集的分布特征,从而产生了局部堵塞更强、熵更高的失速团。     

低雷诺数下压气机的二次流旋涡结构

为了探究高空低雷诺数条件下跨声速压气机的流动规律,对NASA Rotor37进行单通道数值模拟,探索其在低雷诺数进气条件下二次流的旋涡结构.研究发现:马蹄涡压力面分支诱发压力面角区诱导涡,壁角涡形成了顺流和逆流的两段式结构,脱落涡由叶根角区发展起来后不断从尾缘脱落,泄漏涡近失速点仅局部破裂不是失稳触发的主要原因.通道中的激波系诱发了吸力面和压力面的两个径向涡,压力面径向涡构成闭合的气泡式分离,吸力面径向涡在叶顶的破碎诱导产生分离涡,触发了低雷诺数下压气机的失稳.流场旋涡结构由马蹄涡、壁角涡、径向涡、泄漏涡、分离涡、脱落涡6个大尺度旋涡以及其他小尺度旋涡组成.      

跨声速压气机转子叶尖非定常流场数值研究

采用时间精确求解方法对某高负荷跨声速轴流压气机转子在98%设计转速下的叶尖非定常流场进行了数值研究.结果显示,激波自身振荡不明显,叶尖区域流动的非定常性主要来源于叶尖泄漏涡的破碎及其与激波之间的相互干涉.对比设计状态与失速状态下叶尖泄漏涡的特点发现:在近失速点时,叶尖区域间歇性出现前缘溢流.分析表明:叶尖泄漏涡在激波后破碎是造成堵塞的主要原因,也是造成spike型失速初始扰动的原因.      

叶顶吹气对低速轴流压气机间隙流动 影响的数值研究

为了评价叶片顶部吹气对间隙流动的影响,采用NUMECA软件对带有叶顶吹气的叶栅流场进行了计算,并将其与不带吹气的基准叶栅流场结果进行了对比、分析.结果表明:叶顶吹气的位置和角度都对间隙流动有着较大影响.按周向和径向方向吹气时对泄漏流量密度的分布有一定的影响,但对稳定工况范围的影响不大;按一定的轴向方向吹出时可抑制间隙引起的流动分离,进而增大压气机的失速裕度.      

间隙流触发压气机内部流动失稳机制及周向槽扩稳机理

利用高频响动态压力传感器对某低速轴流压气机转子的失速先兆和顶部流场进行了详细的测试,探明该压气机内部存在与叶顶间隙泄漏流相关的突发型失速先兆,对压气机转子内部流场进行了单通道定常和非定常数值模拟,详细分析了压气机内部流动失稳过程中顶部流场结构的变化,揭示顶部间隙泄漏流触发轴流压气机内部流动失稳机理.在此基础上,利用周向槽处理机匣结构对顶部间隙泄漏流进行控制,并探讨了周向槽处理机匣结构提高压气机稳定工作裕度机理.      

带周向槽机匣处理的压气机内部流动数值模拟与试验

采用试验和数值模拟的方法研究了周向槽机匣处理对轴流压气机性能以及内部流场的影响。在单级轴流压气机试验台上对实壁机匣和周向槽机匣结构进行了详细的实验测试。同时,对每一种机匣结构的内部流场进行了全三维数值模拟,数值模拟结果与试验结果符合良好,相比于实壁机匣,试验以及数值模拟结果均表明周向槽机匣处理结构能够扩大压气机的稳定工作裕度,而对效率的影响不大。对内部流场的详细分析表明周向槽处理机匣对叶顶间隙泄漏涡形成和发展的抑制是周向槽机匣处理扩稳的主要原因。      

Numerical Investigation of Inlet Distortion on an Axial Flow Compressor Rotor with Circumferential Groove Casing Treatment

On the base of an assumed steady inlet circumferential total pressure distortion, three-dimensional time-dependent numerical simulations are conducted on an axial flow subsonic compressor rotor. The performances and flow fields of a compressor rotor, either casing treated or untreated, are investigated in detail either with or without inlet pressure distortion. Results show that the circumferential groove casing treatment can expand the operating range of the compressor rotor either with or without inlet pressure distortion at the expense of a drop in peak isentropic efficiency. The casing treatment is capable of weakening or even removing the tip leakage vortex effectively either with or without inlet distortion. In clean inlet circumstances, the enhancement and forward movement of tip leakage vortex cause the untreated compressor rotor to stall. By contrast, with circumferential groove casing, the serious flow separation on the suction surface leads to aerodynamic stalling eventually. In the presence of inlet pressure distortion, the blade loading changes from passage to passage as the distorted inflow sector is traversed. Similar to the clean inlet circumstances, with a smooth wall casing, the enhancement and forward movement of tip leakage vortex are still the main factors which lead to the compressor rotor stalling eventually. When the rotor works trader near stall conditions, the blockage resulting from the tip leakage vortex in all the passages is very serious. Especially in several passages, flow-spillage is observed. Compared to the clean inlet circumstances, circumferential groove casing treatment can also eliminate the low energy zone in the outer end wall region effectively.     

亚声速轴流压气机叶顶喷气设计规律的试验研究

为了探索叶顶喷气在亚声速轴流压气机中的设计规律,试验研究了喷气量、喷嘴喉部高度、周向覆盖比例、喷气位置、喷嘴数目、喷嘴分布形式对压气机失速裕度的影响规律,分析了叶顶喷气的扩稳机理以及对压气机失速特性的影响,总结了叶顶喷气在亚声速和跨声速压气机中作用规律的异同。研究结果表明,叶顶喷气没有改变压气机的失速特性,其扩稳机理主要在于对叶顶堵塞的有效抑制,通道堵塞对叶顶喷气的非定常响应是离散叶顶喷气有效扩稳的重要原因。当喷嘴处于堵塞状态时扩稳效果达到最大,利用0.66%的喷气量可将压气机的失速裕度提升15%。对于压气机失速裕度的影响,喷气量、喷嘴喉部高度、喷气周向覆盖比例间存在交互作用,喷气位置、喷嘴周向分布形式和进气畸变对喷气扩稳效果的影响均不大。当压气机的失速均是由叶顶泄漏涡诱发的突尖失速时,叶顶喷气在亚声速压气机中的设计方法可用于指导跨声速压气机叶顶喷气的设计。     

压气机静子通道内的流场测量

为了研究根部间隙对压气机静子通道内流场的影响,设计了4根不同长度的“L”型五孔探针和1根四孔探针.通过位移机构带动上述探针,在最大流量和近失速两种工况下,对某双级低速轴流压气机的第1级静子通道内5个不同轴向位置截面进行了流场测量.实验结果表明:静子通道内总压损失主要是由叶尖附近角区分离以及根部泄漏流与主流的相互掺混引起的.静子通道内主要存在着上/下通道涡、叶尖角涡和泄漏涡等旋涡结构.      

叶尖泄漏流对压气机稳定性影响的数值分析

为研究叶尖泄漏流对稳定性的影响,发展了一种叶尖泄漏涡模型,并且在由课题组开发的TU-SIAC(three dimensional and unsteady stall inception analysis code)程序中实现.该程序将转/静子叶排模化为三维激盘,并在无叶区求解三维非定常欧拉方程,黏性的影响通过特性曲线...     

周向槽机匣对轴流压气机转子畸变响应特性的影响

基于给定的进气周向总压畸变谱,应用全三维数值计算方法,研究了周向槽处理机匣对NWPU-1轴流压气机转子容畸变特性的影响,初步揭示了其在进气周向总压畸变条件下的失速机理。结果表明,在均匀进气条件下,周向槽处理机匣对叶尖间隙泄漏涡形成和发展的抑制是其扩稳的主要原因;在进气周向总压畸变条件下,该轴流压气机转子失速的主要原因是畸变引起的攻角变化,造成部分叶片的负荷过重,由于周向槽处理机匣的作用主要在叶尖部分,所以并不能有效的扩大该压气机转子的稳定工作范围。     

轴流压气机转子叶尖二次涡的试验验证及形成机理

对轴流压气机转子机匣壁面静压进行动态测量,采用小波分析方法处理近失速工况动态压力测量信号,功率谱显示在与二次涡相近的频率上存在较高的能量带,能量峰值沿轴向的衰减与二次涡的变化规律相符,表明二次涡在流场中存在是可能的。针对相同转子进行全通道非定常数值模拟,计算结果表明,近失速工况下,转子圆周每个通道叶顶附近均存在规律一致的二次涡运动。叶片中后段间隙泄漏流与间隙泄漏涡破碎产生的低能流体相互作用,在泄漏涡破碎形成的堵塞区域中形成二次涡。二次涡运动使得近叶顶载荷分布发生变化,从而导致近叶顶流场出现了一种周期性的自维持的非定常流动现象。     

低速轴流压气机叶尖非定常流动试验

利用动态压力传感器对一低速轴流压气机转子的叶顶间隙流场进行详细的试验测量,通过对信号特征的分析,对压气机节流过程中叶顶间隙的非定常流动发展演变规律进行了研究。结果表明：压气机完全失速时,叶尖存在一以46.5%转子转速周向传播的失速团;节流过程中,叶尖前缘处的动态压力信号中存在非定常波动的特征频率带,其变化规律与叶顶流场压力非定常波动的能量迁移有关;随着压气机流量减小,叶顶泄漏流影响区域向前缘移动,失速团在叶顶前缘附近产生,并向尾缘方向扩展,最终覆盖叶片全部弦长;近失速工况时,叶顶间隙相邻通道内泄漏流相互作用,造成通道中的低压区“一前一后”交替分布从而形成一个空间上周期约2个叶片通道的扰动波。     

跨声速压气机转子旋转失速现象的非定常模拟

为研究跨声速压气机转子失速机理,全周非定常数值模拟了某跨声速压气机单转子的失稳过程。结果表明:该转子由叶尖Spike扰动诱发旋转失速。在小流量稳定工作状态,压气机转子叶尖区域存在"旋转不稳定"(Rotating Instability,RI)流动现象。压气机节流过程中,转子进出口的流量降低,叶尖区流场非定常波动幅值增大。近失速状态时,RI扰动团的典型流场结构"径向涡"在叶尖区域形成堵塞,导致相邻叶片前缘间歇性地出现溢流现象。随着压气机进一步节流,转子叶尖的负荷达到极值,叶片通道尾缘逆压力梯度过大,出现倒流。尾缘倒流的出现又进一步增加通道内的堵塞,最终形成Spike扰动。失速先兆对应的流场结构是沿叶片前缘额线向相邻叶片压力面周向运动的"径向涡"结构。     

带周向槽机匣处理的离心压气机扩稳机理分析

机匣处理能够改善压气机稳定裕度，扩大其稳定工作范围。通过对带周向槽机匣处理的NASA低速离心叶轮（LSCC）进行了时间精确的全三维数值模拟，并对周向槽机匣结构和实壁机匣结构在近失速流量点工况下的计算结果进行了比较分析。分析结果表明，周向槽处理机匣对叶顶间隙泄漏涡的抑制是周向槽机匣处理扩稳的主要原因。     

跨声压气机周向槽处理机匣非设计工况研究

设计了某单级跨声压气机周向槽处理机匣,利用全三维定常数值模拟方法研究了三种典型转速下的机匣扩稳机理;对比分析得出处理机匣扩稳性能与压气机工况、处理槽位置的关系:转速越高,处理槽扩稳效果越好,而且位于叶尖弦长中部的处理槽更有效.当转速降低时,扩稳效果减弱,靠近尾沿的处理槽更为明显.研究表明,该压气机在降转速过程中存在一个扩稳机理的转变:在高转速下扩稳以抑制间隙涡破裂为主,而低转速下则以抑制叶尖吸力面附面层分离为主.      

自循环机匣周向偏置对轴流压气机非定常流场的影响

本文以NASA Rotor 35为研究对象,设置了正15°、0°和负15°三种不同周向偏置度数的自循环机匣,利用NUMECA软件包进行三维非定常数值模拟以研究机匣处理对压气机非定常流场的影响。计算结果表明,针对NASA Rotor 35由通道激波与叶顶泄漏涡相互作用导致的失速,不同周向偏置角度的自循环机匣处理均能够较好地拓宽压气机的稳定工作范围,且几乎不影响压气机峰值效率。其中周向偏置正15°的自循环机匣虽然流量裕度改进量最大,但是压气机的压比下降较大。周向偏置后自循环机匣的扩稳能力不再遵循传统上以回流量、喷嘴出口速度和自循环装置内的流动损失来关联扩稳效果的经验规律,而是由桥路和流场耦合的非定常过程导致的。其喷射和抽吸作用对叶顶流场的激励使得叶顶静压分布、泄漏流产生周期性波动,不同物理量峰值在时域上存在相位延迟。     

基于POD方法的跨声速轴流压气机转子叶顶间隙流场分析

以跨声速轴流压气机转子NASA Rotor 36为对象,研究了叶顶间隙流场的非定常流动特性。在数值模拟结果的基础上,采用本征正交分解(POD)方法获取POD模态和时间系数分布规律,进一步分析了近失速工况下叶顶间隙流场的流动特性。结果表明:在近失速工况下,叶顶间隙流场的主导频率为叶顶泄漏涡频率,约为0.6倍转子通过频率;能量较高的POD模态决定了叶顶泄漏涡的波动频率和幅值,低能量的高阶涡则影响流场的细微结构;同时发现,前5阶POD模态就可以很好地重构流场,这为低阶模型的应用提供了一定的理论指导。      

轴流压气机转子近失速工况全通道 数值模拟

对某亚声速轴流压气机转子进行了全通道三维非定常数值模拟,获得了该压气机近失速工况下的详细流动情况.转子前缘均匀布置的十支静压数值探针监测结果表明,转子圆周上出现两个静压扰动区域,其中一个逐渐发展为突尖波.流场分析表明,叶顶通道中存在频繁的分离涡运动,静压扰动区域中分离涡的强度较大.分离涡诱发间隙流形成“前缘溢流”和“尾缘反流”.静压扰动区域沿圆周方向传播是由分离涡在通道之间的传递引起的.传播过程中,分离涡强度的持续增大是突尖波形成的关键因素.通道中较强的“尾缘反流”沿通道上行并绕过叶片形成“前缘溢流”的现象可作为突尖波形成的标志.