叶顶间隙泄漏时离心压气机模型级内流动的数值模拟

在贴体曲线坐标系下 ,应用同位网格上求解压力耦合方程的半隐算法 (SIMPLEC) ,对叶顶间隙泄漏时的离心式压气机模型级内部的流动进行了数值模拟 .采用速度的协变物理分量作为求解变量 ,在同位网格上对离散单元体的界面流通量做了特殊动量插值 ,来抑制不合理的压力场振荡 ,并计算模拟了叶轮顶端间隙泄漏流动随主流的输运和扩散过程 .计算结果表明 ,叶顶间隙泄漏不仅严重影响叶轮内部的流动结构和性能 ,而且显著恶化了无叶扩压器和整个模型级内部的流动和性能 .因此 。

空化对叶顶间隙泄漏涡演变特性及特征参数影响的大涡模拟研究

利用大涡模拟方法及一个考虑气核效应的欧拉-拉格朗日新空化模型,对绕NACA0009水翼叶顶间隙泄漏涡(top-leakage vortex,TLV)及其空化流动开展了高精度的模拟,结果显示数值模拟与实验吻合较好.在此基础上进一步讨论了不同间隙大小对TLV空化的演变行为及其发生前后TLV强度、气核分布以及切向速度分布等特征参数的变化规律,分析了TLV空化对TLV演变行为及其特征参数的影响机制.结果表明,空化发生后,TLV的强度主要受片空化演变行为的影响,TLV空化对其自身强度的影响较小.此外,间隙越小,片空化越不稳定,TLV的强度也会呈现相应的准周期性波动.随着间隙的逐渐增大,片空化强度逐渐减小,其不稳定性也逐步减弱,TLV强度逐渐恢复至无空化时的水平,其波动也会逐渐减小.空化对涡心处气核分布会产生较为明显的影响,其影响程度取决于空化发生后TLV在空间上的稳定性以及TLV空化的强度.此外,空化发生后,TLV半径会在一定程度上增大,且在空化区域外围形成"类刚体旋转"的切向速度分布特性,其形成原因主要是空化生长引起的膨胀过程以及流动的黏性作用.

转子叶顶间隙泄漏流轨迹前移的动力学机制

为了揭示压气机转子节流时其叶顶间隙流动的演变趋势及其形成机理,选取某亚声速轴流压气机转子为研究对象,采用多通道非定常数值计算方法对其内部流场进行了全三维数值模拟.结果表明:随着压气机转子流量减少,主流轴向动量减小,而在叶顶间隙两侧压力梯度和二次泄漏流的共同作用下,叶顶间隙泄漏流的轴向动量却不断增大,导致叶顶间隙区域内泄漏流与主流的轴向动量比不断增大,从而推动叶顶间隙泄漏流与主流的交界面不断向上游移动,这意味着叶顶间隙泄漏流在叶顶通道内造成的流动阻塞区不断扩大,正是叶顶间隙泄漏流相对于主流的增强造成的叶顶流动阻塞区不断扩大最终导致了该压气机转子进入失速状态.

轴流压气机叶顶间隙泄漏流的周向传播特性实验研究

在一台单转子低速轴流压气机上,以叶顶间隙泄漏流非定常性为切入点,通过实验测量沿弦向和周向的壁面非定常压力,分析了叶顶端区非定常波动特征沿叶片弦长的调频特性。研究了占主导地位的叶顶间隙泄漏流非定常波动沿周向的传播特征,进一步分析叶顶间隙泄漏流非定常性波动到失速先兆信号产生的演变规律。实验结果表明,由叶顶间隙泄漏流非定常性波动主导的叶顶端区流场在压气机节流过程中,其周向传播速度逐渐增加,直到失速先兆的产生。由此可以判断,叶顶间隙泄漏流非定常性是失速先兆信号分析和预测的流场依据,为澄清和理解叶顶间隙泄漏流非定常和失速先兆至失速的不同流动特征的统一流体力学机理提供指导。

叶顶间隙对压气机性能的影响

对某多级轴流压气机的其中两级的内部流场进行了全三维的CFD数值模拟,模拟结果与设计的级间参数比较吻合。通过对0.5倍设计间隙、1倍设计间隙和2倍设计间隙3个不同间隙的模拟结果的比较,探讨了间隙的大小对多级压气机总体性能的影响;通过内部流场的详细分析,揭示了间隙泄漏损失的特征。

基于Omega涡识别理论的自适应空化流动模型

液体火箭发动机涡轮泵内存在多种空化类型,其发生机理有所不同,现有数值计算方法通常采用同一套模型预测所有类型空化,导致预测精度不足。为提高复杂空化流动的计算精度,提出了自适应空化流动模型。基于先进的Omega涡识别理论和ZGB空化模型建立了相变系数自适应调整方法,以涡轮泵内两种典型空化(附着空化和泄漏涡空化)为对象,利用翼型实验对模型进行了验证。首先对比了几种涡识别方法的差异,发现Omega方法对阈值不敏感且物理意义明确,适合作为相变系数的取值依据;分析了相变系数对附着空化和泄漏涡空化的影响规律及两种典型空化的形成机理。结果表明:自适应模型相比ZGB模型,对泄漏涡空化的预测精度在大间隙下提升了约181%,小间隙提升了约27%,对附着空化的预测更接近实验结果;附着空化是吸力面脱落涡形成的原因,间隙泄漏流场的涡带和剪切层空化是由间隙泄漏涡和分离涡共同作用形成的。

轴流压气机叶顶喷气扩稳机理试验研究

轴流压气机叶顶喷气已经被证实能够有效拓宽压气机的失稳裕度。在一台低速单转子轴流压气机上进行叶顶喷气试验研究,采用喷气动量比作为衡量失速裕度改善的指标,并通过改变叶顶间隙和喷气角度对不同喷气量的扩稳效果进行分析,试验中发现随着叶顶喷气动量比的增加,压气机失速裕度的变化会出现两个拐点,即存在两个喷气动量比分界点,并将喷气动量比分界点前后的三个阶段对应的喷气量分别定义为微喷气,大喷气和超大喷气。通过试验测量压气机进出口气动参数以及壁面动态压力信号对喷气动量比分界点前后叶顶喷气扩稳机理进行详细的分析。试验分析结果表明:微喷气扩稳仅仅是因其能够减弱叶顶间隙泄漏涡和叶顶间隙泄漏流非定常性;大喷气则能够同时减小进口气流攻角,推迟叶片吸力面分离和抑制叶顶间隙泄漏涡,推迟叶顶间隙泄漏流非定常性的产生;超大喷气虽能够推迟叶顶间隙泄漏流非定常性的产生,但喷气的影响区域已严重向叶片通道内部转移,甚至影响了压气机的做功能力。

跨声速压气机转子叶顶区域流场非定常计算和POD分析

采用时间精确求解法对跨声速轴流式压气机转子NASA Rotor35单流道进行了三维非定常数值模拟,研究了叶顶区域流场的时间非定常波动特性。将叶顶区域流场的非定常解作为快照,采用本征正交分解(POD)方法提取POD模态,进一步分析了叶顶近失速点流场的流动特性。结果表明:在近峰值效率点的大质量流量工况下,叶顶区域流场呈现出稳定性,基本不发生随时间波动的特性;在近失速点的小质量流量工况下,叶顶区域流场呈现周期性的波动特性,由激波与叶顶间隙泄漏涡形成的破碎、通道中部未形成泄漏涡的相邻叶片泄漏流流线以及来流一起形成的叶顶二次涡是叶顶非定常周期性波动形成的必要条件。

跨音轴流压气机自循环喷气扩稳试验研究

轴流风扇／压气机稳定性控制一直叶轮机械领域迫切需要解决的难题，特别是对于内部流动复杂的跨音转子。提出以自循环喷气方式作为控制手段，并在一台单级跨音风扇／压气机上进行试验研究。试验中通过白行设计自循环机构在压气机上进行基于自循环的叶顶喷气研究，并考察不同抽气角度和喷气偏航角对压气机稳定裕度和效率的影响，并通过测量机匣壁面非定常压力信号对跨音压气机自循环喷气机构中前端喷气的扩稳机理进行分析。试验结果表明：自循环喷气能够有效拓宽跨音压气机的流动失稳裕度，并取得了8％～15％的扩稳效果，而且能够略微提高压气机峰值点的效率。另外，通过功率谱密度分析，前端叶顶喷气的扩稳机理仍然是影响叶顶间隙泄漏流的非定常性。

进口畸变下缝式机匣处理改善轴流压气机性能的研究

为了研究进口畸变下缝式机匣处理改善轴流压气机性能的机理,以亚声速单级轴流压气机的孤立转子为研究对象,在53.4%设计转速下,采用10通道非定常的数值模拟方法,开展进口畸变下轴向倾斜缝机匣处理改善轴流压气机性能的机理研究。采取在进口径向延伸段中部沿周向设置栏杆的方式产生畸变。与进口均匀实体壁机匣相比,进口畸变实体壁机匣的失速裕度改进量和峰值效率改进量分别为-5.88%和-1.44%,而进口畸变带机匣处理的失速裕度改进量和峰值效率改进量分别为24.37%和-1.09%。进口均匀实体壁机匣时,压气机的失速类型为典型的突尖型失速,即由叶顶间隙泄漏流引起的堵塞所造成。进口畸变引发叶顶处吸力面的气流分离,且气流分离沿周向呈非轴对称分布,进口畸变后叶顶通道内的低速区在很大程度上还是由叶顶间隙泄漏流所造成,只不过相比于进口均匀,叶顶处吸力面的气流分离提前发生,并且反过来又加剧叶顶间隙泄漏流的负面影响,即进口畸变后压气机失速的主要诱因没有发生本质的变化。机匣处理上、下游的喷射、抽吸过程分别对叶顶通道上游、中部的低速区气流起到激励、吹除作用,其有效地抑制了由叶顶间隙泄漏流所造成的叶顶前缘溢流和叶顶通道内压力面附近的回流,进而提高了叶顶通道的流通能力。

跨音压气机转子叶尖流场中诱导涡的讨论和分析

Van Zante等首次提出了诱导涡的概念,在研究诱导涡与压气机叶尖流场的关系之前需要回答"诱导涡是否存在"这一问题。为此以跨音转子NASA Rotor 35为研究对象,采用四种不同的网格配置在80%设计转速下进行单通道数值模拟。数值计算均捕捉到了流场的主要特征,与实验结果符合较好;但没有出现所谓的诱导涡,因此对叶尖区流场的关注焦点仍然可以集中在叶顶间隙泄漏流本身。尽管如此,近机匣壁网格不断加密还是会对泄漏流的轨迹产生影响;因此Van Zante等提出的用来评估壁面剪切层强弱的参数VD依旧具有参考价值,只是针对其物理意义的解释需要重新阐述。

悬臂方向对TLV空化抑制效果的影响及其机理

该文综合利用实验及数值模拟方法细致研究了悬臂式沟槽叶顶间隙泄漏涡(tip-leakage vortex, TLV)空化抑制器的悬臂凸出方向对抑制TLV空化效果的影响,并对其原因进行了深入讨论。研究表明:相比于原始水翼叶顶处的TLV空化,无论悬臂凸出方向指向水翼的吸力面还是压力面,悬臂式沟槽TLV空化抑制器在各个间隙大小下均能产生显著的抑制效果。相对而言,当所采用的悬臂凸出方向为压力面时,该装置对TLV空化的抑制效果更为显著,且可更有效地抑制TLV空化体积脉动。测量结果表明:悬臂凸出方向对水翼升、阻力系数影响均很小。数值结果则进一步表明:当采用悬臂凸出方向为指向压力面时,悬臂式沟槽TLV空化抑制器能更好地抑制流体从压力面流向吸力面,干扰TLV的生长,进而可以更加有效地抑制TLV空化的发展。

基于SPOD方法的压气机转子叶顶区域非定常流动分析

为了研究叶顶区域非定常流动特性,对跨声速轴流压气机转子NASA Rotor37在多工况下进行了三维非定常数值模拟,采用谱本征正交分解(Spectral Proper Orthogonal Decomposition, SPOD)方法从叶顶区域流场中提取出时空耦合的单频相干结构进行分析。研究结果表明:相比于常规分析方法,SPOD方法能够高效地从非定常流场中识别出流动特征,有助于揭示叶顶区域流动规律;在“小流量”工况下叶顶区域流动呈现出强的非定常性,且随着质量流率的减小叶顶区域非定常流动增强、波动范围增加、波动频率呈现出“阶跃式”下降;造成叶顶区域流场非定常周期性波动的主要原因是叶顶间隙泄漏涡破碎区的扰动以及叶顶间隙泄漏涡破碎后与主流相互作用所形成的叶尖二次涡的波动。

基于互相关分析的前失速先兆检测分析

针对轴流压气机流动失稳控制中的反馈信号,采用互相关分析方法对前失速先兆信号进行了检测。通过在机匣壁面周向对称布置的动态传感器对压力信号进行检测分析,并在单转子低速轴流压气机上进行了实验研究。实验中分析了不同流量工况时,对称布置动态传感器压力信号互相关系数的变化趋势,并在此基础上对前失速先兆与叶顶间隙泄漏涡非定常性进行了关联性研究;同时也分析了采用叶顶喷气作为控制手段之后,机匣壁面对称布置传感器动态压力信号的互相关系数随着喷气量增加的变化趋势。实验结果表明:互相关检测分析方法能够有效及时地检测到壁面压力锯齿波的破坏程度,有利于提高控制器的响应速度,留给作动机构充足的反应时间。而且叶顶喷气作为控制手段能够提高对称布置传感器动态压力信号的互相关系数,从而实现拓宽稳定裕度的目的。

低速轴流风扇中格尼襟翼气动影响的数值研究

格尼襟翼是一种低速流动翼型的增升装置.本文通过数值方法分析了低压轴流风扇在设计工况点的气动性能和内部流动结构,研究了格尼襟翼在旋转叶片上的气动作用.结果表明:叶片尾缘襟翼增加了叶片尾流的涡强度,提高了叶片的气动负荷,推迟了吸力面分离位置,叶轮出口的相对气流落后角减小,风扇总压升得到提高.但是叶尖泄漏流强度有所增加,效率有一定程度的降低.切除叶片端部30%叶高的部分格尼襟翼后,减少了风扇叶顶间隙泄漏涡的强度和范围,二次流损失降低,风扇压升和效率均得以改进.