端壁凹槽控制扩压叶栅角区分离的数值研究

为揭示端壁凹槽控制高速扩压叶栅角区分离、降低叶栅气动损失的物理机制,采用数值方法研究了高速扩压叶栅NACA65-K48附加具有不同轴向位置和横向长度的端壁凹槽时叶栅的流场结构和气动特性。结果表明:叶栅出口总压损失系数最大降低8.08%,静压升约提高0.67%。近端壁气流在凹槽内部诱导出复杂旋涡结构,该旋涡结构反过来为凹槽附近的气流注入了径向动量,促进了低能流体在凹槽附近的径向迁移,减轻了低能流体在角区的堆积。当凹槽位于分离点处且横向宽度较小时,能够在一定程度上降低总压损失;凹槽距前缘0.78弦长、宽度为4mm时可获得最佳控制效果,叶片吸力面螺旋分离点弱化为一小段分离线;随着凹槽位置进一步向尾缘方向移动,凹槽对角区流动的控制能力减弱。

基于端壁L形凹槽的扩压叶栅角区分离控制

为了解决用于控制压气机角区分离的旋涡发生器技术存在的不足,以高速扩压叶栅为研究对象,深入探究了利用端壁L形凹槽结构产生的流向涡抑制压气机角区分离的流动控制策略。首先,通过引入标准造型空间和函数叠合思想,为端壁L形凹槽结构发展了一种便捷且通用的参数化建模方法,并基于该方法开展了端壁L形凹槽的优化设计。通过比较原型叶栅和最优方案的流场仿真结果发现:端壁L形凹槽可以通过其产生的槽道分离涡来有效阻挡横向二次流,切断端壁低能流体向角区的供应,从而显著缓解角区反流、阻止角区分离伴生旋涡的形成,能够在宽广的攻角范围内显著改善叶栅的气动性能。对比不同Pareto最优方案的计算结果发现:槽道分离涡的旋涡强度决定了凹槽对横向二次流的控制效果以及引入附加流动损失和堵塞效应的严重程度,这是影响流动控制效果的关键因素。然后,将基于Sobol指标法的灵敏度分析方法与控制变量法相结合分析了设计参数对端壁L形凹槽流动控制效果的影响。结果表明:凹槽切向位置、凹槽深度、上游凹槽宽度和上游凹槽长度对凹槽的流动控制效果影响较为显著;其中凹槽切向位置主要影响槽道分离涡距离吸力面角区的远近,而后三者则主要影响槽道分离涡的旋涡强度。最后,基于以上分析,总结了端壁L形凹槽的设计参数选取原则。

采用新型非轴对称端壁提高压气机转子性能的数值研究

为进一步改善压气机转子内部的流场结构,探索二次流减少机理,对轴流压气机转子-NASA Rotor37进行了非轴对称端壁造型。本文以商用软件NUMECA为设计平台,发展出一套完整的非轴对称端壁优化设计流程。通过对优化区域及优化方向的控制,设计出一种带有凹槽的非轴对称端壁造型,并对凹槽在轴向的最佳位置进行了讨论。压气机内部流场结构采用三维流线进行分析。结果表明:凹槽改变了槽内以及周边流体的流动轨迹,降低了通道内的横向压力梯度,阻碍了端壁附面层低能流体向吸力面的聚集;同时,凹槽的存在提高了压气机的气动性能和叶片的扩压能力,使二次动能和总压损失系数分别减少了9.52%和6.5%。