端壁狭缝射流对舰用燃气轮机压气机性能的影响

为了探索端壁狭缝射流对舰用燃气轮机压气机叶栅性能的影响,本文采用带转捩的SST k-ω湍流模型对压气机叶栅气动性能进行数值模拟,探究了端壁狭缝射流的射流角度和组合方式对压气机叶栅流动分离的影响规律。结果发现,端壁狭缝射流具有显著抑制叶栅角区分离、降低流动损失的作用,其中组合射流具有更好的流动控制效果。在射流流量仅为0.435%主流流量的情况下,30°组合射流可使损失降低27.63%,静压系数提高9.2%。端壁狭缝射流主要通过抑制端区二次流动、促进低能流体与主流的掺混和控制通道涡、集中脱落涡及诱导涡的发展来降低叶栅损失,改善叶栅性能。

跨声速压气机叶尖开槽射流扩稳策略探究

为了提高跨声速轴流压气机的稳定工作范围,提出一种叶尖开槽射流的扩稳策略,设计7种开槽方案,并通过数值模拟分析其效果及扩稳机理。计算结果表明,针对叶尖通道堵塞设计的开槽射流方案取得了较好的效果,压气机稳定工作裕度实现了2.33%~4.53%的提高,但峰值效率降低0.26%~1.24%;在合理的范围内,槽道的宽度越宽、深度越深、出口位置在近失速工况的分离点前和出口射流角度25°左右时扩稳效果最好,但性能损失与扩稳效果负相关;开槽射流实现扩稳的原因是:槽道入口对压力面前缘低速流团的抽吸作用、出口射流对吸力面尾缘分离的吹除作用以及减小叶尖间隙内的泄漏。

开槽位置和槽道结构对叶栅性能的影响

基于利用小槽出口射流控制叶片吸力面尾缘分离气流的思想,为进一步研究开槽位置和槽道结构对叶栅性能的影响,设计了三种叶片开槽处理方案,用CFD方法对开槽前后的流场进行数值模拟分析。计算结果表明,小槽出口射流可以有效吹除叶片吸力面尾缘分离气流,控制和延缓附面层分离,从而增大了气流转折角,降低了总压损失,提高了叶栅流场稳定性,并且叶片开槽位置和槽道结构对叶栅性能也有较大的影响。

高负荷压气机叶栅开缝射流分离控制效果研究

为了控制高负荷压气机叶栅分离,设计了一种弧线型缝隙射流方法,通过叶栅实验予以验证。结果显示,缝隙射流显著的减小了叶栅尾缘分离的宽度,提高了分离区内的气流速度,降低了叶栅流动损失;抑制了叶栅内复杂的端壁二次流,使出口流场更加均匀。在0°,3°和6°攻角下,叶栅的平均损失系数降低了7.0%,32.1%和32.3%,平均气流转折角提高了4.02°,3.59°和1.78°。在-3°攻角下,平均气流转折角提高了0.59°,但叶栅损失系数提高了12.3%。可见在分离条件下,缝隙射流极大提高了叶栅气动性能,但在无分离条件下会引起额外的损失。在整个攻角范围内,开缝叶栅保持了不低于原型叶栅设计点的静压升系数,且稳定工作范围扩宽了至少3°攻角。

一种改进的开槽结构对叶栅性能影响的数值研究

基于利用小槽出口射流控制叶片吸力面分离气流的思想,为获得更好的叶栅流场特性,在两段式平行直线转折槽结构的基础上,提出一种改进的开槽结构,用CFD方法对2种结构开槽前后的叶栅流场进行数值模拟分析对比。为进一步研究改进结构的槽道出气角对叶栅性能的影响,另设计了多种出气角度。计算结果表明,改进的槽道能够更好地改善叶栅性能,获得更高的气流转折角和静压升,以及更低的总压损失。槽道出气角对叶栅性能也有较大的影响。

横流中有限宽窄缝射流的旋涡结构

本文应用PIV流动显示技术详细测量了有限宽度窄缝射流从底部射入横流的流场结构。在此基础上采用湍流数学模型及相应的混合有限分析方法,得到横流中有限宽窄缝射流的时均及瞬态流场、涡量场,以此来分析流场、涡量场特性,揭示各种具有拟序结构性质的复杂涡系的产生、发展及演化过程。实验观察到射流迎、背流剪切涡层卷起形成类开尔文涡列。本文还探讨了横流绕流分离旋涡的生成机理及其转向。另外,观测到射流喷口上游的马蹄涡系以及射流逆流区下游尾迹区旋涡的层状结构形式。通过拓扑分析的方法,给出了横流中有限宽窄缝射流旋涡近区流场的拓扑性质。

连接机构对增升装置气动性能影响研究

运用数值模拟方法,研究了缝翼滑轨、襟翼滑轨舱等连接机构对于增升装置气动性能的影响及其流动机理。结果表明:连接机构会使增升装置线性段升力系数略微减小,同时会显著减小失速迎角及最大升力系数。流动机理分析表明:缝翼滑轨会拖出较强尾迹流,这些尾迹流混入主翼上表面附面层后会使增升装置升力系数减小,在大迎角下,缝翼滑轨会直接诱发大范围的流动分离。襟翼滑轨舱会减小襟翼缝道的面积,使襟翼缝道射流加速而有利于吹走襟翼表面的物面分离。

截断式脉冲射流流场结构模拟与冲蚀硬岩能力分析

孔盘截断式脉冲射流能够充分利用水锤压力、高速侧向流、循环载荷等效应,破岩效率高,在硬岩破碎中具有较高的开发潜力。基于VOF模型和动网格技术,建立与截断式脉冲射流生成装置几何及运动过程一致的两相流瞬态计算模型,结合高速摄像技术,研究了截断式脉冲水射流的流体结构的动态演变动力特征,测试了截断式脉冲水射流的破岩能力,并分别从流畅结构和破岩能力上与常规圆柱水射流进行了对比分析。研究结果表明:截断式脉冲射流有助于在射流末端形成偏转的瓦状尖体结构,可有效减弱或避免激波阻力的影响;截断式脉冲水射流在破岩过程中,岩石靶物冲蚀孔口呈现非轴对称形态,与常规圆柱射流相比,截断式脉冲射流能够大幅度提升破岩速度,增大破岩体积。

动水环境中有限宽窄缝湍射流的水力特性研究

本文采用粒子图像测速(PIV)系统,在分析了水中粒子跟随性的基础上,对动水环境中多种喷口长度和流速比情况下的有限宽窄缝湍射流近区流场进行测试,并结合数值模拟结果分析讨论了动水环境中有限宽窄缝湍射流的近场三维流动特性。在实验观测的流速比范围内,射流势流核长度随着流速比的增加而增大并逐渐趋近于平面自由湍射流的势流核长度,雷诺数对射流的发展轨迹影响很小,射流发展主要由流速比控制。同时,给出了射流背流面逆流区长度与流速比、喷口形状因子之间的关系。

静子叶片开槽处理对单级压气机特性影响的数值研究

基于利用叶片开槽出口射流控制附面层分离的思想,提出在静子叶片上从压力面向吸力面开槽的流动控制方案,设计了在静子叶片上部的两段式转折槽,并对静子叶片开槽处理后的单级压气机特性进行了数值模拟。结果表明,静子叶片开槽处理可以显著改善单级压气机性能,扩大流量工作范围,提高压气机的稳定性。进一步分析流场发现,槽道出口射流可以有效吹除叶片尾部吸力面附面层分离气流,控制附面层分离区扩散。

高速离心叶轮叶片开缝的数值研究

提出在离心叶轮吸力面尾部开缝抽吸的方法,在叶片吸力面尾部对低速流体区域进行抽吸,以减弱由叶轮内二次流所导致的射流—尾迹结构。以Krain高速离心叶轮为例,建立抽吸模型,并进行了数值计算。数值仿真结果表明,在压气机流量范围内,叶轮尾部开缝抽吸可以减少叶片表面的分离区域,改善叶轮内部流场的流动状况,有效地提高离心叶轮性能。

熔喷双槽形喷嘴气体射流流场研究

从点涡的性质出发,研究了涡偶代替射流的可行性,推导了两射流合成的理论公式,并用实验测定数据验证了该公式的可靠性。该公式预测的纤维直径与经验公式的预测结果几乎完全相同。

单/多狭缝射流冲击柱状凸形表面流动和换热特性

为分析单狭缝、双狭缝和四狭缝射流冲击柱状凸形表面的流动换热特性,应用Realizable k-模型对其展开数值研究。通过与实验数据对比验证了数学模型的适用性,比较探讨了单、多狭缝冲击射流的流场分布、边界层分离现象和冲击换热特点。结果表明:单、多狭缝射流冲击柱状凸形表面,气体分别在流动阻力和相邻狭缝射流逆向相遇阻力形成的逆压梯度作用下,发生边界层分离;随流动发展,多狭缝射流在相邻射流逆向相遇作用下,Nu迅速下降至最低值,随后在逆流作用下有所回升;每狭缝具有相同雷诺数Re条件下,当狭缝数目增加时,Re的增加对提高平均努塞尔数Num的效果相对较小,当无量纲曲率半径(D/B)增大时,Num对Re的变化更加敏感,增大Re将有效地增加表面Num;狭缝射流总流量一定时,狭缝数目越多,Num越小,局部努塞尔数Nu分布越均匀。

叶片开缝的离心风机流场研究

本文提出在离心叶轮轮盖与叶片之间开缝,使得叶片压力面侧的高压气体射流到吸力面侧的低速尾迹区,从而直接给叶轮内的低速流体提供能量,减弱了叶轮内由于二次流所导致的射流-尾迹结构,并可用于消除或解决部分负荷时常发生的离心叶轮积灰问题。对某离心风机整机的数值模拟表明,在设计流量和小流量情况下,叶轮开缝后使叶片表面分离区域减小,整个流道速度分布更为均匀,改善了叶轮内部流场的流动状况,提高了离心叶轮性能和整机性能。研究表明,本方法对于提高离心式流体机械性能是有效的。

熔喷双槽形喷嘴气体射流流场初探

在熔喷非织造布加工中,气体射流作为工作介质使聚合物熔体实现拉伸,气体射流流场的研究对熔喷气流拉神数学模型研究非常重要。熔喷双槽形喷嘴形成的流场可以看作两股平面射流的合成。从单个点涡的性质出发,研究了涡偶的性质和涡偶代替射流的可行性。研究表明,在喷丝孔轴线附近,涡偶和射流的速度分布趋势相同,且有比较相近的速度分布,从而说明以涡偶代替射流是可行的。在此基础上,用两个涡偶分别代替两股射流,然后进行合成,推导出两股射流合成后速度分布的理论公式,该公式的计算结果与实验结果吻合较好。将该公式引入熔喷气流拉伸数学模型,预测出的纤维直径与采用经验公式时的预测结果几乎完全相同。结果表明,应用涡偶代替射流推导出的气流速度分布公式能够较好地描述熔喷双槽形喷嘴气体射流流场,可以用于完善熔喷气流拉伸数学模型。

潜孔钻头排屑槽布置方式对井底流场影响的研究

在勘探钻井过程中,现场应用的潜孔钻头存在排屑能力差、井壁冲蚀破坏严重的问题,这与钻头井底流场分布有着密切关系,而钻头排屑槽的布置方式又对井底流场的分布及流体的排屑能力起着重要作用。本文充分考虑了钻头排屑槽的布置方式对井底流场的影响,建立了与实际相接近的潜孔钻头井底流场物理模型,在计算流体力学软件Fluent中将CAD模型转换为相应的CFD井底流场模型,运用k-ε两方程模型,对钻头排屑槽布置方式对井底流场的影响进行了数值模拟研究,找到了钻头排屑槽布置方式对井底流场的影响机理,为设计排屑能力强、对井壁冲蚀破坏小的新型潜孔钻头提供了理论依据。

磨料射流固液两相流场的数值模拟

为了解决磨料射流固、液两相流场运动对割缝效果的影响问题,采用数值模拟的方法,通过建立磨料射流固、液两相流场的数学模型,研究了磨料两相射流割缝的速度场和流动场规律。结果表明:磨料射流中割缝速度可达100 m/s左右,有利于有效割缝;有效割缝需要入射压力至少达到25 Mpa;磨料射流割缝过程中会形成了一道"水墙"阻止磨料射流全部高速射出。产生二次回流。虽然二次加速的效果有限,但二次循环的水和颗粒经过二次加速能够再一次对壁面形成高速打击,提高割缝效率。研究成果对磨料两相射流割缝提高油井采收率具有指导意义。

一种高负荷扩压叶栅流动控制技术的实验研究

为了研究缝隙射流控制技术改善高负荷扩压叶栅气动性能的流体动力学机理,本文针对有/无缝隙结构的高负荷扩压叶栅流动损失与内部流场参数开展实验研究,获得了叶栅流场分布数据、近壁流场显示图谱以及叶栅出口总性能参数。研究结果表明,经由叶片压力面与吸力面压差驱动的缝隙射流能够增加叶片近壁附面层低能流体的动量、动能及湍流强度,并将局部迁移或积聚的附面层低能流体及时带入主流,减小低能体在局部区域的掺混撞击与粘性摩擦作用,抑制了栅后低能流体的过度聚集,从而有效提高大折转角扩压叶栅的气动性能。缝隙射流控制技术与弯曲叶片技术的有机结合,为高效紧凑的发动机压缩系统提供了新的设计自由度。

槽缝射流旋流比和密度比对涡轮端壁冷却和吸力面泛冷却性能的影响

针对上游槽缝射流对涡轮端壁冷却性能影响的问题,同时考虑到涡轮端壁的气膜孔射流和叶栅通道间隙泄漏流同样对端壁及叶片吸力面存在冷却效果,采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程和SST k-ω湍流模型的方法,研究了带预旋上游槽缝射流0.4、0.6、0.8和1.0这4种旋流比和1.0、1.5和2.0这3种密度比对端壁冷却及叶片吸力面泛冷却(二次冷却)性能的影响特性。结果表明:密度比较小时,减小旋流比导致端壁冷却效果降低;密度比较大时,端壁冷却效果随旋流比减小先降低后升高,最低值出现在旋流比为0.8。随密度比的增加,冷却射流对端壁的冷却效果不断降低,冷却效率最低值随旋流比的增加向下游移动。随旋流比增大,槽缝射流对叶片吸力面泛冷却覆盖面积逐渐减小,位置向下游及靠近端壁的方向发展,泛冷却效率不断降低。随冷却射流密度比的增加,吸力面泛冷却面积显著减小,且向靠近端壁的方向移动,泛冷却效率降低。

基于狭缝合成射流的湍流边界层流动控制实验研究

湍流边界层主动流动控制减阻是当下一个热门的研究领域。为了探究狭缝合成射流对平板湍流边界层流动控制的减阻效果,分别在有无合成射流干扰的条件下利用恒温式热线风速仪测量湍流边界层的流向速度,根据测量结果得到时均速度型、脉动速度型、偏斜因子、平坦因子,并进行对比分析;选取不同频率和强度组合的典型合成射流激励条件,研究激励条件带来的减阻效果沿流向的变化。结果表明:受控湍流边界层减阻效果、施加的合成射流特性和当地站位到狭缝的距离均有关;合成射流在靠近狭缝位置引起湍流边界层表面摩擦阻力增加;远离狭缝,合成射流产生减阻效果,随流向距离增加,减阻效果先增强后减弱;高频合成射流比低频合成射流减阻效果更强;脉动速度的功率谱密度和自相关性分析表明合成射流的作用效果沿流向逐渐减弱。