脉冲型流体振荡器射流对叶栅角区分离的控制研究

通过流体振荡器特有结构产生双孔振荡射流,采用非定常数值模拟方法研究其抑制压气机叶栅大攻角下角区分离的控制机理。重点分析了射流位置、射流角度、射流流量和单个/阵列型射流对控制效果的影响。结果表明:在近端壁单个射流器方案下,最佳射流位置位于角区分离未充分发展处(54%叶片轴向弦长),最佳射流角度和射流流量比分别为10°和0.09%,并使总压损失系数降低6.48%,静压升系数增加2.39%。振荡射流通过向附面层内低能流体注入高流向动量,抑制了附面层的发展;其非定常激励将吸力面大尺度分离涡离散破碎成一系列小尺度涡,并且其锁频效应减小尾缘压力脉动幅值,最终减小损失。相比单个射流器方案,阵列型射流方案在全叶高范围内进行振荡射流,通过5倍流量的输入,使气动性能增益增加了约1倍。

进口附面层对串列叶栅气动性能的影响研究

为探究进口附面层对串列叶栅气动性能的影响,以高亚声速压气机常规叶栅及其改型串列叶栅为研究对象,基于数值方法对比分析了不同进口附面层厚度对两叶栅的总体性能及三维角区分离的影响。结果表明:随着进口附面层厚度增加,原型叶栅三维角区分离范围沿展向逐渐增大,而串列叶栅三维角区分离范围的增加主要体现在周向。由于进口附面层的存在,串列叶栅前后叶片之间的缝隙射流与近端壁低能流体的相互作用所产生的通道涡、诱导涡及角涡是总压损失增大的主要原因。串列叶栅与原型叶栅相比能有效降低总压损失和提高静压升,然而附面层厚度的增加会减小这一优势;进口附面层厚度相对叶高的比值为0%,5%,12.5%时,串列叶栅的出口总压损失系数较原型叶栅分别降低11.1%,5.5%和4.1%,静压升系数分别提高7.4%,6.5%和6.4%。

大弯角开槽叶栅槽道位置与结构研究

为拓宽大弯角扩压叶栅可用攻角范围,优化叶片吸力面流动分离结构,以一大弯角叶栅为研究对象,对叶片采用压力面到吸力面打通的双"C"型槽道结构处理,在保持槽道长度及其他参数不变的条件下,设置85%,80%,75%,70%轴向弦长四个出口位置研究槽道出口位置对叶栅性能的影响。研究发现,特定攻角下,槽道出口位于吸力面角区分离线起始点之后、尾缘分离线之前,对吸力面流动分离的控制效果较佳;在全攻角范围,槽道出口则取在0°攻角对应较佳出口位置为好。为减小槽道内总压损失,提出了一种"SC"型槽道改进结构,在80%轴向弦长槽道出口位置处与双"C"型槽道以及原型叶栅进行对比。结果表明,"SC"型槽道结构相比于双"C"型槽道结构,叶栅尾迹损失及槽道内总压损失减少,槽道出口射流速度提高,叶片尾缘处静压升高;相比于原型叶栅则能有效降低其在全攻角范围内的总压损失,基本消除叶片吸力面附面层分离,削弱角区分离,提高叶栅的扩压能力。

基于一维模型的跨声速轴流压气机特性预测研究

为发展一套对于现如今多级跨声速轴流压气机特性预测较为精准、快捷的计算程序,选取了合适的压气机参考攻角模型,建立了适用于双圆弧大弯角叶型的设计点/非设计点落后角模型。采用某套大弯角平面叶栅在多个工况下的实验数据对新建立的落后角模型进行校验,并将攻角、落后角模型嵌入到HARIKA算法中,实现对HARIKA算法原模型的替换,用新建立的HARIKA算法和三维数值计算软件NUMECA对某型两级跨声速轴流压气机在设计/非设计转速下进行特性计算。结果表明:本文建立的落后角模型对于叶栅出口气流落后角预测值与实验值较好地吻合,平均误差为0.42°,预测误差较小。新的HARIKA算法对于压气机特性的预测结果相比于三维数值计算结果更贴近于实验值,其中压比最大预测误差2.54%,效率最大预测误差3.68%,总体预测误差较小,证明本文建立的非设计点落后角模型具有一定的准确性与适用性,改进后的HARIKA算法在多级跨声速轴流压气机特性预测方面具有一定的工程实用性。

槽道射流及端壁抽吸对角区分离的组合控制研究

为优化叶片吸力面流动分离结构,探究对于角区分离更好的流动控制方法,以一大弯角扩压静子叶栅为研究对象,对叶片进行全叶高槽道结构处理,并在其基础上于槽道出口前进行端壁抽吸槽结构处理。在来流马赫数为0.7,来流攻角为-8°~6°工况下,对原型叶栅、全叶高开槽叶栅及组合流动控制叶栅进行性能计算及对比。结果表明:全叶高开槽方案能有效消除叶片吸力面叶中附面层分离,抑制角区分离,减小原型叶栅的总压损失,提高扩压能力。对比全叶高开槽方案,组合流动控制方案能更有效地抑制端壁二次流于槽道出口前在吸力面上的发展,进一步消除角区分离,优化近端壁区流场。因此,端壁抽吸加全叶高槽道射流的组合流动控制方案对于宽来流攻角范围具有更强的适应性,从而更有效地减小原型叶栅的总压损失,拓宽其可用攻角范围,提高叶栅的扩压能力。

基于大弯角扩压静子叶栅的组合流动控制方法研究

为更好地控制叶中尾缘分离及角区分离,优化叶片吸力面流动分离结构,提出了全叶高槽道加全弦长端壁抽吸的组合流动控制方案。此外,还设置了全叶高开槽方案与端壁抽吸方案,以探究全叶高槽道射流与端壁附面层抽吸的相互作用机理。以一大弯角扩压静子叶栅为研究对象,对三种流动控制方案进行了详细的性能分析及对比。结果表明:组合控制方案对于原型叶栅叶中尾缘分离及角区分离的综合控制效果最佳,能够在全攻角范围内分别将原型叶栅的总压损失、气流转折角及静压升系数平均增大-38.4%,3.1°及16.2%。相比于全叶高开槽方案,组合控制方案的端壁抽吸槽有效抑制了全叶高槽道出口前端壁二次流的发展,进一步削弱了角区分离。相比于端壁抽吸方案,组合控制方案的全叶高槽道则有效消除了尾缘分离,避免了叶中流场的恶化。总体看来,组合控制方案有利于最大程度地拓宽叶片的可用攻角范围,提高其扩压能力。

端壁抽吸控制下攻角对压气机叶栅叶尖泄漏流动的影响

为减少叶尖泄漏损失并改善由泄漏涡造成的叶尖流道堵塞,对端壁流向开槽抽吸方案对扩压叶栅叶尖泄漏流动的控制效果进行了数值模拟研究,重点分析了来流攻角对流动控制效果的影响。结果表明:端壁抽吸方案通过直接影响叶尖泄漏流的发展,减弱泄漏涡强度,减小了泄漏损失;抽吸对负攻角和小攻角下叶栅流场的影响范围仅局限于叶尖区域。但在大的正攻角下,抽吸使得低叶展区域的附面层分离提前,且叶背分离涡脱落位置升高至约70%叶高处,端壁抽吸对叶栅的整体影响由泄漏损失降低和分离损失增大综合决定。抽吸量为0.7%时,抽吸后叶栅总体总压损失系数分别在-8°、0°和+4°攻角下降低约9.0%、10.8%和6.8%,而在+8°攻角下增大约5.7%。