端壁造型与附面层抽吸耦合流动控制对压气机叶栅的性能影响

为改善轴流压气机性能,抑制角区分离,采用数值模拟方法探究端壁造型(PEW)与附面层抽吸(BLS)两种流动控制措施在不同工况下对高负荷压气机叶栅的气动性能影响。使用神经网络作为代理模型,采用多目标遗传算法进行全局寻优,选取得到的5种最优端壁造型结构,与3种不同弦长位置的抽吸缝进行组合。结果表明:兼顾设计工况及近失速工况叶栅气动性能,采用吸力面70%弦长位置抽吸与通道前中部下凹、近压力面上凸的造型组合最优。设计工况下,附面层抽吸抑制了弦长中部转捩泡的生成,有效降低了尾迹损失,此时最优组合减小了12.7%的总压损失。近失速工况下,端壁造型通过控制端区横向二次流,缓解堵塞,抑制了角区分离进而降低尾迹损失,此时最优组合减小了15.5%的总压损失。

端壁附面层抽吸对大转角扩压叶栅旋涡影响的实验研究

为探明附面层抽吸技术对压气机叶栅气动性能的影响及其与栅内旋涡结构的关联,通过十个横截面的实验测量结果研究了高负荷压气机叶栅抽吸端壁附面层前后的主要旋涡结构以其对应损失的演变过程。研究对象为矩形低速扩压叶栅,来流马赫数约为0.23。研究结果表明,端壁附面层的变化对叶栅端区的主要旋涡发展过程影响显著。在原型方案中,壁面涡、尾缘脱落涡的演变过程对应着较高的流动损失,通道涡自身产生的损失较小,主要起到向远离端壁的方向输运低能流体的作用;在流向槽吸气方案中,壁面涡和尾缘脱落涡因端壁附面层径向迁移及角区分离受到抑制而被明显削弱;而来流附面层抽吸方案则最为有效地控制了通道涡的演变过程。

附面层抽吸对叶栅表面分离流动控制的实验研究

以某高亚声速叶栅风洞为实验平台,运用粒子成像测速仪(PIV)对平面叶栅吸力面进行了附面层抽吸试验研究。验证了附面层抽吸技术在附面层分离流动控制方面的可行性和有效性。通过与数值模拟结果的对比分析,验证了本试验测量结果的可靠性。通过对不同抽吸位置处抽吸效果的研究表明:在同一抽气量下,合适的抽吸位置是控制附面层分离的重要因素。当抽吸位置处于分离起始点与严重分离区之间时,附面层分离才能够得到明显的抑制,流场结构得到显著的改善。

低反动度附面层抽吸式压气机及其内部流动控制

本文进一步分析了低反动度附面层抽吸式压气机概念,并讨论了该压气机的设计要点和应用范围;分析了抽吸掉的附面层内的低能高熵流体的可能利用途径,以及对于不同的利用方式,效率的评估方法;基于上述概念设计了一台亚声速低反动度附面层抽吸式压气机,详细地分析了该压气机的气动参数选取与分布特点,以及该压气机内部的三维分离流动及其控制规律。

抽吸角度对高负荷、跨音速叶表附面层抽吸效应研究

以某跨音速高负荷压气机叶栅为研究对象,在其吸力面激波投射点下游40%弦长处设计了3种形式的抽吸孔,即顺流45°、逆流45°和垂直抽吸孔。应用数值模拟手段探索其来流超音速时合理的抽吸孔形式和抽吸方案,获取不同抽吸方案时叶栅性能以及流场细节,寻求叶栅性能与抽吸参数的最佳匹配。结果表明在该位置进行抽吸时,抽吸量是决定叶栅性能的主要参数,3种抽吸孔都表现为:①在抽吸量从0.1%到1.2%主流流量的增加过程中,相对于0.1%抽吸工况,叶栅出口马赫数降低17.5%、总压恢复系数提高5.5%、静压升提高8.6%、叶片负荷降低7.5%,但抽吸孔之前负荷增加,叶片负荷前移;②抽吸使得叶片表面激波投射点向下游飘移,激波强度略有增加,但使得其后附面层分离减弱,降低了叶栅损失;③抽吸使得叶栅出口流动更为均匀,尾迹亏损区减小。计算结果还显示3种孔表现出不同的抽吸性能,具体表现为:①随着抽吸量增加,其流量系数增加,但相同抽吸量时逆流45°抽吸孔流量系数始终大于顺流45°以及垂直孔;②顺流条件下,在抽吸孔入口的背风区形成较强漩涡,增加了孔内流动损失,降低了孔的有效流通面积;③随着抽吸角度从顺流45°向逆流45°变化,抽吸孔入口背风区漩涡逐渐消失,增强了其流通能力,降低了孔内流动损失。

蛇形进气道地面工作状态附面层抽吸试验研究

对一种蛇形进气道开展了地面工作状态下的抽吸试验研究,结果表明,在该状态下进气道出口截面的总压恢复系数较低、流场畸变较大。为此,本文采用附面层抽吸技术对其进行了地面抽吸状态下的流场控制试验研究。研究结果表明:(1)地面工作状态下,随着出口马赫数的增加,蛇形进气道出口截面的总压恢复系数不断下降,而稳态周向畸变指数、紊流度和综合畸变指数均上升,稳态径向畸变指数变化不大。本研究的蛇形进气道在出口马赫数为0.45时,总压恢复系数为0.90,综合畸变指数为13.85%,总压恢复较低,畸变较大,超出了一般航空发动机的承受范围。(2)与原型方案的地面抽吸试验结果相比,采用附面层抽吸技术后,进气道出口截面的总压恢复系数得到了提高。在出口马赫数为0.45,相对抽吸量为0.043时总压恢复系数提高了2.6%。

附面层抽吸对大折转角矩形叶栅流场结构的影响

本文采用数值方法研究了低速条件下附面层抽吸对大折转角矩形叶栅流场的影响。计算结果表明,通过选用合理的抽吸位置及抽吸方式的组合,附面层抽吸能较好地控制叶栅内的大尺度的叶片表面分离流动,但对二次流损失的改善效果并不明显。

高亚声速下附面层抽吸控制压气机叶栅流动分离的研究

为研究高亚声速下附面层抽吸参数对流动分离控制的效果和机理,以高负荷扩压叶栅为研究对象,通过数值方法研究了抽吸布局和抽吸流量对叶栅内部流动分离控制效果的影响。结果表明,附面层抽吸能够显著改善叶栅内部流动,降低因附面层分离和端区角区分离、相互掺混造成的流动损失;高亚声速下附面层抽吸的最佳位置在附面层充分发展区域而非分离起始点附近;1.32%抽吸流量下,在叶片吸力面距离尾缘34%弦长处进行附面层抽吸的效果最佳,叶栅总损失降低54.03%;各抽吸槽因抽吸强度的降低使组合抽吸对于进一步改善流动效果并不明显;抽吸流量与抽吸效果呈正相关的关系,但是高亚声速下通过附面层抽吸无法完全消除高负荷叶栅内部角区分离。

附面层抽吸对低雷诺数下压气机稳定性的影响

数值模拟了低雷诺数下附面层抽吸流动控制对跨声速压气机稳定性的影响。低雷诺数下附面层径向涡及其诱发的叶顶分离阻塞触发压气机流动失稳,通过在NASA Rotor 37跨声速轴流压气机转子叶片吸力面上设计抽吸槽,探讨了抽吸流动控制对低雷诺数下压气机性能和稳定性的影响,并对比分析了抽吸前后压气机流场特性的变化和抽吸流动控制提高低雷诺数下跨声速轴流压气机稳定性的作用机理。

高压离心压气机导叶流场的附面层抽吸控制研究

通过数值模拟研究了某小型涡扇发动机离心压气机的出口导叶流场特点,结合拓扑分析方法讨论了附面层抽吸对叶栅性能的影响。结果表明:原型叶栅由于展弦比较小,流动空间狭窄,各种形式的附面层分离相互掺混,恶化了整个叶栅的流动。通过附面层抽吸可以改变叶栅内的分离结构,明显减小吸力面的分离,使得流场结构趋于简单,从而减小损失、提高叶栅效率。

附面层抽吸技术在跨声速平面叶栅试验中的应用探索

基于常规跨声速扩压叶栅吹风试验结果确定合理抽吸位置,并在此基础上对该叶栅进行多种工况的附面层抽吸试验,分析附面层抽吸作用下叶片表面马赫数、出口尾迹与总压损失系数的变化。结果表明:开设抽吸缝对常规跨声速叶栅原有流场结构的总体影响较小,但当抽吸缝位于马赫数峰值位置时,会对下游流动产生一定扰动。在适当位置抽吸能抑制跨声速叶栅表面流动分离,且只有抽吸量达到一定数值后,附面层抽吸作用才会对叶栅气动性能起到明显正效果。当抽吸量达到0.87%时,该跨声速叶栅总压损失系数降低了7.8%。

非对称附面层抽吸对高负荷扩压叶栅旋涡结构的影响

为了改善高负荷扩压叶栅流道内旋涡结构,达到降低流动损失,提高气动性能的目的。本文借助实验校核CFD方法,对某高负荷扩压叶片进行了非对称孔式附面层抽吸。使用Q准则作为本次旋涡判定的准则,并对原型及抽吸方案的损失和涡量场进行了分析,并对其建立了旋涡结构模型。在原型方案中,由通道涡与集中脱落涡的掺混形成的角区损失占出口损失的主要部分,采用非对称抽吸后,抽吸侧内角区损失有明显的减弱,但非抽吸侧的损失沿展向和周向迅速扩展。

涡流发生器和附面层抽吸相结合对于低速压气机叶栅性能的影响

为了分析微型涡流发生器(MVG)和附面层吸气(BLS)相结合的方法对高负荷轴流压气机流动特性的影响,将一种弯曲的微型涡流发生器与缝式吸气槽进行不同组合,共组成五组控制模型进行对比。其中,微型涡流发生器安装在叶片上游端壁上,缝式吸气槽位于叶片吸力面靠近尾缘处。计算结果说明:在设计攻角下,COM控制方法在使总压损失明显减小的同时增加静压系数,性能优于单独使用MVG,却不及只使用BLS的控制方法。在失速攻角下,MVG产生的尾涡将位于叶片吸力面-端壁角区之间的低能流体和主流充分混合,使得总压损失大幅度减小了11.54%。在吸气量为1.5%时,COM控制方法可以使总压损失减小达14.59%。

附面层抽吸对叶栅角区分离流动的控制研究

为研究附面层抽吸对叶栅角区分离流动的控制效果和机理,以高负荷轴流压气机叶栅为研究对象,基于数值方法深入分析了不同抽吸方案对叶栅角区流场的影响以及叶栅攻角特性随抽吸流量组合的变化规律。结果表明:不同抽吸方案对叶片通道中的分离流动的控制机理不同,进而会影响叶片负荷及扩压能力;将吸力面抽吸与端壁附面层抽吸结合起来的组合抽吸方案基本消除了位于叶栅吸力面的附面层分离和角区分离,叶栅叶型损失系数显著降低,在5°攻角下,当吸力面抽吸量为1.88%,端壁抽吸量为0.82%时,损失系数相较于原叶栅降低约63.8%;并且进一步研究发现各抽吸槽的抽吸流量均存在其最佳临界值;在进行组合抽吸时,应针对不同攻角工况,在其相应的临界值范围内选择合理的抽吸流量,以达到用较小的吸气量实现对叶栅分离流动的控制。

端壁附面层抽吸对对转压气机性能的影响

以双级对转压气机为研究对象,通过在两排转子机匣处开设抽吸孔,采用数值方法研究了不同抽吸流量下端壁附面层抽吸对压气机性能的影响,为吸附式压气机优化设计提供参考。计算结果表明:在级环境下端壁附面层抽吸可以提升压气机失速裕度,但抽吸流量过大会对效率造成一定损失,当抽吸1.6%流量时失速裕度提升了3.8%,压气机性能达到最佳;失速主要由间隙泄漏涡引起并首先在第二排转子叶尖发生,抽吸削弱了泄漏涡的强度推迟失速发生;端壁附面层抽吸增大了叶尖流通能力,使转子叶尖效率和压比得到提升,并有效改善了出口导叶流场。

高负荷跨音速压气机转子气动设计及附面层抽吸研究

本文设计了一跨音速压气机转子,其叶尖切线速度420 m/s,在确保动叶出口参数的同时,压比达到3.2,绝热等熵效率88.7%。数值模拟表明,60%叶高到叶顶区域,气体分离严重。为了有效控制分离,本文初步探讨了抽吸附面层对转子性能的影响。结果表明抽气能明显影响附面层的发展与激波的空间结构,转子局部性能得到改善。

具有附面层抽吸的大折转角扩压静叶优化研究

在某大折转角扩压静叶基础上,充分考虑到附面层抽吸对高负荷静叶流场的影响,对静叶方案进行了优化设计。结合NACA65系列叶型与低速CDA叶型各自的特点,通过对静叶前缘加速段及尾缘扩压段的细致修型和调整,采用吸力面和下端壁组合抽吸的控制方法,最终将静叶在设计点的性能大幅度提高,大大超过了原设计指标。

高负荷扩压静叶中附面层抽吸策略的设计与优化

以某高负荷、大折转角扩压静叶为研究对象,采用数值方法进行了二维叶型和全三维流动层面的附面层抽吸策略设计与优化研究.从流动机理和作用机制出发,揭示附面层抽吸减小流动分离、改善压气机性能的原因.研究结果表明,在实施二维叶型的附面层抽吸时,效果最佳的抽吸位置位于流动分离起始点后的临近区域;进行三维抽吸时,采取叶片表面全叶高抽吸缝和下端壁沿流向抽吸缝的复合抽吸方式,可以有效地控制静叶吸力面及角区的强三维分离流动,改善叶栅流动条件,提高性能.

端壁附面层抽吸对扩压叶栅变冲角性能影响研究

本文以跨声速扩压叶栅为研究对象,采用数值模拟方法,研究了附面层抽吸对扩压静叶叶栅角区分离流动控制效果和机理。为探究不同抽吸方案对叶栅角区分离的影响以及对叶栅变冲角性能影响,在上端壁处开设流向槽进行抽吸。结果表明附面层抽吸能有效降低叶栅流动损失,提高附面层动能,避免低能流体过早分离,减小角区损失。随冲角增大,叶栅通道内二次流流动加剧,角区分离严重且分离提前。附面层抽吸能控制端壁低能流体向吸力面迁移的能力,明显改善静叶叶栅气动性能。

二元超音速变几何混压式进气道附面层抽吸数值研究

本文针对二元变几何混压式进气道设计了附面层抽吸槽以控制流动分离,采用CFD软件对在马赫数为1.8工况下的进气道进行了流场计算,并以总压恢复和出口总压畸变指数为评价指标分析方案效果。结果表明:抽吸槽可以稳定正激波,增大总压恢复,减小总压畸变;喉部侧设置抽吸槽的效果优于在喉道位置靠楔板侧开抽吸槽。