基于流体振荡器阵列的S型流道主动控制实验研究

本文针对一个典型的大折转角、大尺度S弯流道,设计并制造了一个由16个流体振荡器组成的大型阵列,并对S弯内部流动进行了主动控制实验研究。首先采用高频响热线风速仪、高精度质量流量计等手段测量了流体振荡器的频率、速度、流量等随进口压力的响应变化规律及其在大型阵列中的工作特性一致性。其次采用壁面压力采集、五孔探针等手段测量了不同激励条件下,S弯流道的壁面压力分布以及出口截面的总压分布情况。结果表明,所设计的脉冲型流体振荡器能够产生1 kHz以上,峰值速度高于300 m/s的高频高速振荡射流,且阵列中多个振荡器的流量、频率、振荡速度范围等工作特性保持了较好的一致性。流体振荡器阵列在S弯流道上壁面一弯前缘形成了一排开孔率仅为10%的脉冲射流孔,在与主流成45°射流角度、进口马赫数Ma=0.15,激励速度比uR=4.31条件下,仅使用激励质量流量比Cm=0.39%的激励质量流量,就使S弯流道的出口平均总压损失改善了10.6%。本研究验证了流体振荡器阵列控制大尺寸分离流动的高效能力。

端壁非定常脉冲射流对高速扩压叶栅性能的影响

为探究非定常脉冲振荡射流对高速平面扩压叶栅气动性能、分离流动控制以及流场结构的影响,基于CFX数值模拟方法对平面扩压叶栅进行端壁非定常脉冲射流研究,分析射流效果随射流位置、角度和强度的变化规律。结果表明,通过角区脉冲射流可以显著提高叶栅气动性能,仅采用不足叶栅主流0.3%的射流流量,就能使叶栅出口总压损失系数降低28.66%。当射流位于吸力面侧分离起始位置稍下游时控制效果最佳;射流角度、射流强度和射流频率的最佳值分别为α=20°,C_(u)=110%和F^(+)=0.80;脉冲射流具有较好的适应性,在来流冲角i=-8°~+4°内均能降低叶栅损失。脉冲射流主要通过抑制和推迟通道涡和集中脱落涡的发展,减小其影响范围来改善叶栅内的涡系结构。

高转速下台阶篦齿流动特性的实验与计算

对航空发动机压气机级间台阶篦齿封严进行了实验与计算研究。在不同压比(1.05~1.3)下,研究了转速(1.5~7.2kr/min)对篦齿的工作间隙变化、泄漏特性、温升特性和旋流特性的影响,并选取典型实验工况进行了数值模拟。研究表明实验结果与数值计算结果符合良好。随转速的增大,工作间隙减小,泄漏流量降低,两者最大降幅在40%左右;较小压比时流量系数微弱降低,较大压比时流量系数微弱增大。系统风阻温升随转速的增大而增大,且转速越大温升越快,最大温升为36K。另外,出口旋转盘腔同一径向位置的旋转比随转速的增大而增大,最大可达0.398;同一转速下,随出口旋转盘腔径向位置的增大,旋转比降低。

齿型对压气机级间封严特性影响的实验研究

为了对比不同齿型下压气机级间封严特性,对基准常规齿、直通针型齿、直通宝塔齿和台阶斜齿时的级间篦齿封严进行了实验研究。在压比1.05~1.30,转速0~8.1kr/min时对不同齿型的工作间隙、泄漏流量、风阻温升和出口盘腔的旋转比进行了测量。基准常规齿是级间最常用的篦齿结构,将其他三种齿型下级间封严的泄漏特性、温升特性和旋流特性与其进行对比。结果表明:随着齿顶间隙的增大,基准常规齿的流量系数先增大后减小,在间隙c=0.8mm附近有最大值;相同间隙时,台阶斜齿的封严效果最好,其流量系数比基准常规齿时小40%左右。直通针型齿、直通宝塔齿的封严效果略优于基准常规齿,三者相差不大;但是,泄漏流量越小,级间封严的温升和旋流越大。压比1.30时台阶斜齿与基准常规齿的温升比为1.5左右。另外,高转速时台阶斜齿比基准常规齿的旋转比大18%左右。

转动和旋流对压气机级间封严影响的数值研究

对压气机级间封严篦齿进行了流场数值模拟。基于文献实验数据,进行了湍流模型的验证。在稳态条件下获得了带有进出口旋转盘腔的篦齿泄漏特性、风阻温升特性和旋流特性,对比了系统特性和篦齿特性。研究了转速(3~12kr/min)和进口旋转比(0~0.4)对级间篦齿密封的流量系数、风阻温升和出口旋转比的影响。结果表明随着转速的增大,流量系数减小,风阻温升和出口旋转比增大;随着进口旋转比的增大,流量系数和风阻温升减小,出口旋转比增大。

叶片式预旋喷嘴出口流场实验研究

叶片式预旋喷嘴具有尺寸小,落后角大的特点。为了详细研究小尺寸预旋喷嘴的预旋性能,采用五孔探针对叶片式预旋喷嘴的出口流场进行了实验研究。测量了Ma=0.2,0.3时喷嘴出口的压力分布、速度分布和出口气流角度分布,实验获得了喷嘴的落后角和预旋效率,并进行了与实验工况相同的数值计算。通过实验获得的总压云图以及速度云图,可以发现叶片式预旋喷嘴的端壁二次流损失、尾迹损失严重,有明显的边界层分离现象。Ma=0.2时,喷嘴Re数为5.76×10^4,落后角2.84°,实验测得的预旋效率为0.73;Ma=0.3时,喷嘴Re数为1.06×10^5,预旋效率提高至0.77。实验模型端壁的影响使预旋效率实验结果偏低6.5%左右。数值结果与实验测得各参数符合较好:数值结果与测得的喷嘴出口截面平均总压、静压偏差在1%以内;出气速度、周向速度以及出气角度与实验结果偏差在4%以内。数值计算表明,叶片式预旋喷嘴的预旋效率基本不受压比影响,随Re数增大先增大后基本不变,最后基本稳定在0.85。

叶型预旋喷嘴流动及温降特性实验与计算研究

为了研究转速、压比、雷诺数对叶型喷嘴流量系数及盖板式预旋系统温降的影响,介绍了在压比1.1～1.5,转速0～10kr/min条件下稳定运行的预旋系统旋转实验台。通过实验测量预旋系统内的温度和压力分布,对比分析了两种叶型预旋喷嘴(叶片式喷嘴和叶孔式预旋喷嘴)的性能差异,并采用数值计算揭示喷嘴流动损失及预旋系统温降机理。结果表明,叶孔式预旋喷嘴与叶片式预旋喷嘴流量系数均随压比的增大而增大;随雷诺数的增大先逐渐增大,当Re>2×105,流量系数基本不变。系统温降效率随着压比的增大逐渐增大;压比1.5时,温降随转速增大先增大后减小,存在一个极值。叶孔式预旋喷嘴流量系数与叶片式喷嘴流量系数相差不大,约为0.95;但叶孔式喷嘴可以减小端壁二次流损失和尾迹损失,降低喷嘴出口落后角,提高喷嘴出口旋转比和系统温降效率。压比1.5,转速8.1kr/min时,叶孔式预旋喷嘴系统温降效率比叶片式喷嘴的提高了40%。

亚声速条件下五孔探针非线性插值计算方法研究

五孔探针测试技术已日趋成熟,但五孔探针的标定耗时费力,传统的测试方法在测量不稳定流场时存在不可忽略的误差。本文开展了考虑马赫数的非线性插值方法研究,获得了以较少标定工作量实现高精度标定的方法——三维非线性插值法。该方法将若干马赫数下的特性曲线在三维空间顺序排列,以每条曲线上同α,β位置的Kα,Kβ,CPt,CPs值为数据点,分别与马赫数进行基于最小二乘法的非线性曲线拟合,得到一组一元多次函数,经过插值得到所需马赫数下的特性曲线。通过对0.7Ma矩形叶栅出口截面的测量实验,验证了三维非线性插值法的高精度。实验表明:当来流速度与标定速度相差10%时,三维非线性插值法能将马赫数测量结果误差从单个校准数据测量时的1.2%减小到0.17%,尤其是在测量变马赫数流场时,该方法可以通过振荡逼近真实值,直到满足精度要求。在保证精度的前提下,该方法实现了对一个马赫区间的标定,减少了五孔探针在使用前的标定工作量,扩大了五孔探针的使用范围。

容腔泄漏流对环形扩压叶栅性能的影响

为探究容腔泄漏流对环形扩压叶栅气动性能及流场结构的影响,基于验证的数值模拟方法对环形扩压叶栅进行研究,分析泄漏流流量、周向速度大小对角区分离和总压损失的影响。结果表明,随着泄漏流量增加,通道涡PV扩展范围变大,角区分离提前出现,叶栅总压损失系数逐渐增加,当泄漏流量系数增大至1.5%时,总压损失系数增加22.9%;泄漏流周向速度的增加改善了近端壁区域堵塞情况,贴近端壁的流体向吸力面偏转程度减弱,偏移范围减小,当周向速度系数增大至1.1时,总压损失系数降低21.3%。

拓展五孔探针测量范围的分区方法

高速高负荷的压气机叶栅中存在着强烈的三维流动,在这种情况下,五孔探针常用的测量原理会因出现奇异性问题而不再适用。类比七孔探针的测量原理,五孔探针采用分区方法,拓宽其测量范围。分区方法的实质仍与常用方法的一致,只是在各个分区内替换了更合适的速压,保证了物理意义上的一致性和合理性。在拓展区域,方向角的定义与常用方法的不同,但是可以相互转换。通过对比两种方法在进口马赫数为0.67的高负荷扩压叶栅的出口截面处的结果,发现分区方法对角区的角度和静压的测量更为准确,测得的最大的角度为-40.95o;对于总压的测量,两者比较一致。

不同来流附面层厚度下容腔泄漏流对围带式静叶性能影响

基于验证的数值模拟方法,针对带容腔结构的围带式静叶,研究了容腔泄漏流对其性能的影响以及容腔泄漏流与主流的相互干涉作用。在不同的来流附面层厚度下,探讨了叶栅二次流运动和角区分离发展情况,并通过总压损失系数和熵增系数对性能变化进行评判。结果表明:附面层厚度的增加使无容腔扩压叶栅总压损失系数和熵增损失系数增加。容腔泄漏流使叶片前缘出现容腔泄漏涡,并对通道涡的发展和集中脱落涡的大小产生影响;同时容腔泄漏流加强了叶栅通道内的三维流动效应,削弱了近端壁面流体的横向偏转;随着附面层增厚,带容腔的扩压叶栅的总压损失系数和熵增损失系数变化程度不明显。

转速对压气机级间篦齿封严影响的实验

对压气机级间篦齿封严进行了实验研究.不同压比下（1.05~1.3）,研究转速（1 500~8 100r/min）对压气机级间篦齿封严的工作间隙变化、泄漏特性、温升特性和旋流特性的影响.结果表明：随转速的增大,工作间隙减小,流量降低;小压比时流量系数降低,较大压比时流量系数变化微小.系统风阻温升随转速增大而增大,转速越大时,其温升越明显.另外,随转速的增大,出口盘腔同一径向位置的旋转比增大;同一转速下,随出口盘腔径向位置的增大,旋转比降低.

齿位置对压气机级间封严影响的数值研究

通过对压气机级间封严不同齿位置时的流场和温度场进行数值模拟,获得其泄漏特性、旋流特性和风阻温升特性.研究单齿、双齿和三齿的相对位置对级间篦齿封严的流量系数、出口旋转比和风阻温升的影响.结果表明:单齿情况下,单齿在下游时的流量系数最小,出口旋转比和风阻温升最大.双齿情况下,上游和下游各一齿时的流量系数最小.三齿情况下,上、下游和中间各一齿时流量系数最小.出口旋转比和风阻温升都随流量系数的减小而增大.

旋流对刷式封严刷丝变形影响的流固耦合研究

采用刷式封严三维流动数值模拟与刷丝变形力学分析模型相结合的流固耦合方法,研究了刷丝与转子有/无径向间隙条件下,进口旋流对刷丝变形运动及刷式封严泄漏特性的影响规律。该方法能够模拟刷丝束内部细密结构的流动细节,变形求解综合考虑了气流气动力、刷丝与转子、刷丝与后挡板以及刷丝间接触力作用。研究表明,进口旋流会严重影响上游刷丝的变形运动,并且随旋流增大,刷丝变形加剧;当刷丝所受法向力与轴向力的比值大于某一临界值时,刷丝将发生周向滑移气动弹性失稳、密封性能下降。相比于无密封间隙情况,刷丝与转子密封间隙为0.2 mm时,刷式封严能够承受更高的旋流速度,也即具有更高的稳定性。

旋流和风阻温升下压气机级间篦齿封严空气网络计算模型

以压气机级间篦齿封严结构为研究对象,将封严系统简化为典型元件组成的空气网络,建立相应的元件流动特性计算模型。篦齿封严泄漏特性计算模型中没有考虑旋流和风阻温升影响的问题。特别采用一维流基本方程组进行描述旋转盘腔内的旋流,转子壁面摩阻应用经验关系式计算,方程组采用龙格-库塔法求解。旋转盘腔一维工程计算获得其旋流速度和风阻温升分布。根据旋流速度的大小,采用面积修正法对篦齿封严的泄漏特性计算方法进行了修正,并通过考虑流体物性随沿程温度变化来考虑风阻温升的影响。考虑旋流与温升的泄漏流量计算结果与数值计算结果最大相差1.4%,而不考虑旋流及风阻温升时最小偏差为9.9%,最大偏差为20.1%。一维工程计算结果与实验结果进行了对比,两者吻合良好,相对偏差不超过7%。计算中采用实测的篦齿间隙,该间隙通过在旋转篦齿实验中测量转子的转动变形与受热膨胀,以及机匣的热变形而获得。

工质物性对亚音速轴流压气机转子性能的影响

采用理论分析与数值验证相结合的方法,研究一氧化碳、空气、二氧化碳、氦气和氩气等工质的物性对于亚音速轴流压气机转子性能的影响.首先,通过理论分析明确了马赫数、雷诺数及比热比是影响压气机转子性能的物性因素;然后,建立亚音速压气机转子失速边界流量与工质物性之间的数学关系;最后,采用数值模拟方法对理论分析结果进行验证.结果表明,采用方程获得的失速边界预测值与数值结果相比,误差小于5%.