叶型附面层分离流动控制技术研究进展

叶型附面层分离流动控制技术,通过流动控制方法减小和控制叶片吸力面附面层的分离气流和低能流团,提高压气机或涡轮的效率和工作稳定性。主要介绍了国外研发的涡流发生器、射流注入、附面层抽吸、叶片附面层转捩控制和等离子体气动激励等流动控制技术的特点、作用机理和实验验证结果,以及国内在叶型附面层分离流动控制技术方面的研究进展。     

脉冲爆震发动机管壁废热加温燃油实验

在内径为110mm的大管径脉冲爆震发动机模型上,以煤油为燃料,空气为氧化剂,进行了脉冲爆震发动机不同爆震频率的管壁换热实验.实验结果发现利用管壁废热加温燃油可以提高燃油的温度,改善爆震性能并缩短爆燃到爆震的转捩(DDT)距离,也能够有效地降低发动机的管壁温度.当发动机工作在20Hz时,管壁温度最大可以降低94℃.      

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。     

基于超声速边界层转捩的WENO格式对比分析

基于高精度weighted essentially non-oscillation(WENO)格式对马赫数为4.5,雷诺数为10000的超声速来流条件下平板边界层转捩过程进行了大涡模拟.无黏通量分别用5阶、7阶、9阶WENO格式进行离散,黏性通量离散采用4阶中心差分格式,时间推进采用具有总变差递减(TVD)性质的3阶精度Runge-Kutta方法.通过在入口边界叠加一对等幅最不稳定第一模态谐波扰动,分别采用3种WENO格式计算得到了平板层流边界层失稳转捩的演化过程.结果表明:5阶WENO格式的数值耗散明显高于7阶和9阶WENO格式,在捕捉湍流涡和流场脉动特性上存在明显不足.9阶WENO格式的耗散小,能够捕捉到流场更小尺度的涡和高频脉动.研究具有高频脉动特性的问题或者欲捕捉精细涡结构时,建议采用7阶以上的高精度格式.      

大量附面层吸入S弯进气道内吹气控制

为了提高某大量附面层吸入的半埋入S弯进气道气动性能,采用数值模拟方法对其进行吹气控制研究并详细分析了吹气控制机理及吹气位置、吹气量、吹气角度变化对控制效果的影响.结果表明:吹气位置变化显著影响控制效果,最佳吹气位置位于气流分离点稍前的第1弯附近,该位置吹气比为1.75%、吹气角度为20°吹气时总压恢复系数相对原型提高约0.56%,出口周向总压畸变系数和旋流畸变系数分别下降约43.14%和83.60%;吹气角度并非越大越好,吹气时需尽量满足吹气角度较小,保证吹出的气流始终位于附面层内,避免与主流掺混而造成损失;总压恢复、出口周向总压畸变以及旋流畸变三者随吹气量变化的趋势不同,吹气量越大进气道总压恢复及总压畸变改善越明显,而旋流畸变随吹气量的增加先快速下降,随后变缓,最终甚至出现增加的趋势.      

γ-Reθt转捩模型的改进和验证

针对γ-Re_θt转捩模型应用在航空外流转捩模拟中存在的湍流区摩擦力系数二次异常跃升问题进行了研究和改进.研究发现前者的原因是边界层指示函数失效.通过以涡量与应变率的比值修正指示因子,改进了边界层范围的估计和转捩临界动量厚度雷诺数的求解,消除了湍流区摩擦力系数异常跃升现象.消除摩擦力系数异常跃升现象后,湍流区摩擦力系数偏小.为此,Langtry曾引入黏性底层指示函数进行修正,但这一修正的作用范围可能溢出边界层,扰乱间歇因子求解.为解决这一问题,构造了基于黏性比、间歇因子和边界层指示函数的限制因子.通过平板Aerospatiale A翼型和雷诺数为2.1×10⁷的NACA 64₂A015有限翼展直机翼算例的验证,证明上述修正改善了γ-Re_θt转捩模型对边界层和黏性底层范围的捕捉,提高了摩擦力系数分布预测的准确度.     

翼型几何模型对边界层转捩预测精度的影响

对飞行器表面的边界层转捩现象进行准确地预测,是设计高性能层流翼型的关键。基于边界层数值模拟和现代CFD技术的特点,选取与SSTk-ω湍流模型相耦合的γ-Reθt转捩模型,对不同类型的翼型边界层转捩进行预测。结果表明:在转捩计算过程中出现的摩阻曲线震荡,是由翼型表面计算网格不光顺所引起的;提高翼型几何模型光顺程度能够在不同程度上提高翼型气动特性的计算精度,并能得到更加准确的转捩预测结果。     

附面层抽吸技术在跨声速平面叶栅试验中的应用探索

基于常规跨声速扩压叶栅吹风试验结果确定合理抽吸位置,并在此基础上对该叶栅进行多种工况的附面层抽吸试验,分析附面层抽吸作用下叶片表面马赫数、出口尾迹与总压损失系数的变化。结果表明:开设抽吸缝对常规跨声速叶栅原有流场结构的总体影响较小,但当抽吸缝位于马赫数峰值位置时,会对下游流动产生一定扰动。在适当位置抽吸能抑制跨声速叶栅表面流动分离,且只有抽吸量达到一定数值后,附面层抽吸作用才会对叶栅气动性能起到明显正效果。当抽吸量达到0.87%时,该跨声速叶栅总压损失系数降低了7.8%。     

基于主/被动联合控制技术设计的高负荷扩压叶栅内部流场结构研究

为进一步优化设计工作做准备,以基于主/被动联合控制技术设计的高负荷扩压叶栅作为研究对象,在进口为高亚声速的条件下,利用数值模拟的方法,详细研究了冲角变化对扩压叶栅壁面流谱以及气动损失的影响。结果表明,负冲角下,后列叶栅内部存在较大尺度的角区分离流动,构成叶栅损失的主要来源;随着冲角增加,流经串列叶栅近端壁处缝隙流道内流体的相对动量增强,后列叶栅角区分离流动受到抑制,端区二次流动损失降低,+3°冲角下,上、下20%叶展区域内总压损失分别降低了4.4%、6.8%,但前列叶栅叶型分离流动加剧,主流区损失增加;合理协调端壁附面层抽吸技术与串列叶栅技术的应用是提升高负荷扩压叶栅全工况气动性能的关键。     

粗糙壁面诱导的流动转捩数值模拟方法

为预测粗糙壁面诱导的流动转捩,对Langtry提出的γ-Re_θ转捩模型增加粗糙壁面的比耗散率和涡黏性的边界条件,并对模型中的经验关联函数——转捩动量厚度雷诺数进行修正,引入等效沙粒表面粗糙度作为变量,使模型具有一定的预测粗糙壁面诱导的流动转捩的能力.对粗糙平板自然转捩算例和变压力梯度平板绕流算例进行数值模拟,计算结果与风洞实验数据符合的较好.主要结论如下:表面粗糙度一般会增加边界层内的传热系数和阻力系数,同时使层流到湍流的转捩位置提前;自然转捩的转捩位置受表面粗糙度影响较大,与光滑壁面相比,平板算例中0.15mm的表面粗糙度使转捩位置提前40%;分离诱导转捩的转捩位置受表面粗糙度影响较弱,随着表面粗糙度逐渐增加,转捩位置和分离泡位置略有后移,且分离泡强度逐渐减弱,分离泡之后的阻力系数增加.