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.      

叶片前缘形状对涡轮气动性能的影响

采用Bezier曲线控制涡轮叶片前缘形状由圆弧形改为非圆弧形,用数值计算方法研究涡轮叶片前缘形状对其气动性能影响.首先以基元叶型为研究基础,数值模拟分析、比较不同基元叶型前缘形状在不同攻角下对涡轮叶栅性能影响.对于正常运行的攻角范围(-15°~+10°),由于非圆弧形前缘表面曲率半径增大较缓,减小了前缘表面流动的法向压力梯度,抑制过度膨胀,减小由摩擦力引起的能量耗散,损失减小,且非圆弧形曲率半径越大,提高性能效果相对越好.而在非设计工况的大攻角条件下,前缘曲率半径缓慢增大将导致叶型分离更严重,损失相对增加.其次以某5级低压涡轮作为验证实例,数值研究分析认为,非圆弧形前缘形状可改善叶片前缘流动特性,提高涡轮效率,但对于远离设计点的非设计工况,由于气流攻角的大幅度改变,会带来涡轮气动性能的负面影响.      

马赫数和雷诺数对钝前缘三角翼流场的影响

基于Spalart-Allmaras(SA)湍流模型,求解定常RANS方程,数值模拟后掠角为65°的钝前缘三角翼的亚音速流场。分析不同雷诺数、马赫数下钝前缘三角翼上表面的复杂涡系结构及其发展过程,并与实验结果进行了对比。计算结果表明:在中度迎角下,所得的各弦向站位的物面压力系数与实验数据吻合良好;随着雷诺数的增加,三角翼前缘流动分离位置后移,其背风面涡系向内移动;而马赫数的增加则导致分离位置前移,背风面涡系向外移动。     

蜻蜓翼三维流动结构的演变

为了与蜻蜓前后翼流动干扰的流动结构作比较,首先研究了悬停飞行状态下单个蜻蜓翼周围的三维流动结构,利用一套机电拍动翼运动模拟机构模拟了一个蜻蜓翼的拍动,使用数字体视粒子图像测速技术(DSPIV,Digital Stereo Particle Image Velocimetry)和多切面锁相技术分别测量了两个下拍拍动相位时刻(t=0.25T,0.375T)和两个上拍拍动相位时刻(t=0.75T,0.875T)蜻蜓翼周围的瞬时空间三维流场,运用局部涡识别准则中的λci准则来识别和显示了流场中的三维涡结构,还展示了蜻蜓翼各个展向测量截面中的|ωz|等值线、蜻蜓翼前缘涡的涡核线相对于蜻蜓翼上翼面的空间位置以及前缘涡在各个展向测量截面中的截面环量等.实验结果揭示了蜻蜓翼周围的三维流动结构在蜻蜓翼拍动时的演变历程.     

前缘钝度对高速翼型颤振边界的影响

高速飞行器控制面前缘不同的钝度对其气动特性具有影响,同时也影响了其气动弹性特性。采用了CFD/CSD耦合计算方法,研究3种不同钝度的前缘对2维翼型在Mach数为5时的颤振边界的影响。计算结果显示,随着翼型的钝度增加,颤振边界不断提高,即前缘钝度增加了气动弹性稳定性。     

Eckardt离心叶轮失速流场非定常特征分析

为明确离心压气机失速流场特征及类型,对Eckardt离心叶轮进行全通道非定常流场模拟,得到以下失速流场特征结果:(1)叶片前缘叶顶区域明显存在4个突尖型失速团,同时前缘涡、通道涡和低速二次涡共同作用形成流道内的非定常不稳定流动,诱发旋转失速;(2)与轴流叶轮突尖失速特征相似,离心叶轮内同样存在前缘溢流,但不存在尾缘反流,而呈现与径向和周向扭曲结构相关的新特征:叶顶间隙流与流道中的偏转二次流汇合,形成尺度更小、范围更大的低速二次涡。经进一步的空间傅里叶分析,确定失速团以60%～73%的叶轮转速沿周向传播,且由叶轮入口向下游移动,伴随发生涡脱落和破碎,使流场进入深度失速状态。通过分析这些失速流场特征,得出离心叶轮中突尖失速特征与轴流相比既有相同之处也有不同之处的结论。     

喉道对压气机超声叶栅流态及性能的影响

为更深入认识超声叶栅流动机理,以ARL-SL19、CM-1.2和SM-1.5叶栅为研究对象,采用数值模拟和理论分析相结合的方式开展喉道对超声叶栅激波结构和性能影响的研究。研究结果表明:超声叶栅存在两种稳定工作状态,起动状态和溢流状态;在来流马赫数较高时,叶栅只工作于起动状态;在来流马赫数较低时,叶栅只工作于溢流状态;存在一个马赫数区间,叶栅的工作状态由前一个状态决定;对于低马赫数C形超声叶栅,高压比下气动喉道起决定因素;对于高马赫数S形超声叶栅,真实喉道起决定因素;若为气动喉道导致溢流,溢流实现更大的裕度和更低的损失,进口马赫数和气流角会受压比影响;若为真实喉道引进的溢流,溢流会降低裕度并增加损失,叶栅保持唯一进气角流动,但进口气流角和马赫数与起动状态不同。     

稀疏型气膜出流内部冷气侧换热特性实验研究

目前航空发动机涡轮叶片的弦中区大多采用稀疏型(相对叶片前缘)气膜冷却技术。实验研究了这种复合冷却方式中带有冲击射流和没有冲击射流两种情况下的稀疏型气膜出流内部冷气侧换热特性,通过对大量的实验数据分析,得出了诸多流动及几何参数对叶片内表面换热特性的影响,并在实验参数范围内整理出了换热准则关系式。其分析结果及相应准则关系式对叶片的结构设计具有直接的指导意义。      

V字形钝前缘激波反射迟滞现象

针对内转式进气道唇口在宽速域条件下面临的复杂激波干扰问题,将唇口模化为V字形钝前缘,采用数值模拟并辅以风洞实验,研究了典型V字形构型（根部倒圆半径R与前缘钝化半径r之比R/r=1,半扩张角β=18°）激波反射结构随来流马赫数Ma∞的演变过程。结果表明,随着Ma∞的增大或减小,V字形后掠前缘的脱体激波产生规则反射（Regular reflection,RR）和马赫反射（Mach reflection,MR）,并且两者的相互转变过程出现迟滞。初场为RR时,V字形根部产生大范围的流动分离和分离激波;随着Ma∞由5.7逐渐增大至6.5,脱体激波的交点向下游移动并与分离激波的交点重合,使RR转变为MR。初场为MR时,马赫杆下游存在大尺度的反转涡对;随着Ma∞由6.7逐渐减小至5.9,反转涡对不再影响脱体激波,使MR转变为RR。通过Ma∞=6的风洞实验证实,在相同来流条件下存在RR和MR双解。基于对脱体激波交点、分离激波交点和反转涡对尺度随Ma∞变化规律的认识,建立了RR?MR的转变边界。在双解区中,RR工况的壁面压力最大值约为MR工况的2～3倍,表明迟滞现象将导致唇口气动载荷突变。