涡流发生器对高负荷扩压叶栅性能影响的机理分析

为探明涡流发生器流动控制技术对高负荷扩压叶栅性能影响及作用机理,根据高负荷扩压叶栅的流动特点,提出了在叶栅入口端壁处加涡流发生器的流动控制方案,通过计算研究了采用涡流发生器前后叶栅气动性能、附面层及主要旋涡结构的变化。研究结果表明:采用涡流发生器后,叶栅正攻角下的气动性能显著提升,总压损失减小,静压升增大,稳定工作最大正攻角从3°增加至5°,其中在3°攻角下总压损失系数下降0.028,静压系数提升0.033;涡流发生器生成的尾涡阻挡端壁附面层由压力面向吸力面的横向迁移,使吸力面/端壁区域聚集的低能流体减少,改善了角区流动;采用涡流发生器后,通道涡、集中脱落涡和壁角涡减弱,角区分离得到抑制。

端壁合成射流对高负荷扩压叶栅损失特性的影响

利用端壁合成射流技术对高负荷扩压叶栅内的流动分离控制展开数值研究,探讨其改善损失的作用机理及影响因素。研究结果表明,端壁合成射流可以显著提升叶栅气动性能,使总压损失最大降低21.63%,静压升提高5.60%。射流形成的流向射流旋涡通过上洗/下洗作用促进了端壁附面层与主流高速流体间的动量交换,阻碍了通道涡向叶展中部的迁移、削弱其展向影响范围,并通过流向动量注入效应增大了激励缝下游流体的能量,从而推迟流动分离、降低叶栅损失。激励位置和射流角度是影响端壁合成射流作用效果的重要参数,当激励位于角区分离线上游附近且射流角度较小时,流动控制效果最佳。此外,提高射流动量也有助于增强其控制流动分离的能力。

高负荷扩压叶栅吹风试验流场二维性控制技术研究

平面叶栅风洞侧壁附面层引起流道收缩,破坏叶栅流场二维性,扩压叶栅逆压梯度会加剧收缩,且随负荷增加越发显著。针对某高负荷扩压叶栅,研究了影响叶栅吹风试验二维性的因素及不同轴向位置端壁抽吸的改善效果并探索了分布式抽吸。结果表明:常规试验叶栅端壁附面层发展会挤压主流,使其加速,扩压性下降,造成流场失真,总压损失偏差最小达23%。前部、中部抽吸可整体控制叶栅二维性,但展向二维区较窄;尾部抽吸出口展向二维区较宽,但仅局部改善近尾缘处二维性。前部抽吸在全攻角下控制良好,中部抽吸的负攻角特性较好,尾部抽吸流量则随攻角呈线性变化。分布式抽吸能整体控制二维性同时拓宽展向二维区,值得探索与应用。

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。

合成射流控制高负荷扩压叶栅分离数值研究

采用数值模拟的方法,研究了合成射流对高负荷扩压叶栅分离流动的控制效果,分析了关键的控制参数激励频率、幅值和位置对控制效果的影响。结果表明,合成射流能够有效削弱高负荷扩压叶栅内的大尺度分离结构。激励频率与原流场的主分离涡脱落频率相近时控制效果占优。激励幅值存在较为明显的阈值,当激励幅值大于该阈值时控制效果较为显著。激励位置位于主分离涡起始位置附近时,控制效果较好。

局部附面层吸除对高负荷扩压叶栅气动性能的影响

实验研究了低速条件下局部附面层吸除对高负荷扩压叶栅气动性能的影响.采用五孔气动探针测量了叶栅出口截面气动参数,并对叶片表面静压进行了测量,详细分析了局部吸气方式、吸气量和吸气位置对叶栅出口截面总压损失和负荷能力的影响.结果表明,采用吸力面两端吸气和中间吸气方式均能够有效吸除叶栅流道内低能流体,增加叶栅的气动负荷,从而提高叶栅的气动性能;采用吸力面两端吸气对叶栅气动性能的改善要优于吸力面中间吸气;叶栅气动性能的改善主要在靠近叶展中部区域,而对角区核心区和端部区域的影响并不明显.

叶顶间隙影响高负荷扩压叶栅气动性能实验研究

针对高负荷扩压叶栅,实验测试了叶顶间隙尺寸变化对叶栅气动特性的影响规律。结果表明,在马赫数和冲角固定时,随着间隙尺寸的增加,由于间隙泄漏流动与横向压力梯度的相互作用,近端壁附面层低能流体的聚集和发展受到影响,叶栅损失呈现先减小后增大的趋势,存在最佳间隙尺寸使得损失最小。本文研究的高负荷扩压叶栅中实验测的最佳间隙为1%相对叶高。

槽道出口位置对高负荷扩压叶栅性能的影响

针对高负荷扩压叶栅攻角范围小、吸力面流动易分离的特点,采用在叶片上从压力面向吸力面开槽的方法控制局部流动,设计了一种收敛转折型的槽道结构,并通过数值模拟方法研究了不同开槽位置对叶栅性能的影响,计算结果表明:正攻角工况,叶片开槽处理可以有效吹除吸力面分离气流,从而增大静压升,降低总压损失,扩大稳定工作范围;对于大攻角分离情况,最佳开槽位置位于叶型中部附近。

采用附面层抽吸孔改善高负荷扩压叶栅性能的研究

通过试验和数值模拟的方法,以高负荷大弯角扩压叶栅为对象,研究了附面层抽吸孔对损失的控制作用.试验工作中,采用五孔L型探针测量叶栅出口截面气动参数.试验和数值模拟结果得出相似的结论,结果表明:孔式附面层抽吸可以较大幅度地提高扩压叶栅的气动性能,控制流道内的流动损失;出口截面高损失区域缩小,并向下端壁靠拢,流道中部损失减小明显,但对角区的作用并不显著;增加抽吸量对叶栅气动性能的提高并不明显,大抽吸量时反而增加了局部区域的流动损失.

凹坑深度对高负荷扩压叶栅损失特性的影响

采用经实验校核的CFD方法研究吸力面不同深度的凹坑对高负荷扩压叶栅气动性能的影响。为研究不同凹坑方案对于叶栅损失特性的影响,深度为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6mm,深宽比为0.25的5种凹坑分别被布置在42%~60%轴向弦长处。不同深度凹坑对于减小损失的效果不同。结果表明:深度为0.2mm的凹坑能够使得叶栅出口总压损失降低10.8%。三维球状凹坑通过提高边界层内的湍动能水平,促进边界层转捩,消除了层流分离泡,改善了矩形叶栅的气动性能。

高负荷扩压叶栅内不同深度凹坑作用效果

受"仿生学"思想启发,尝试将球状凹坑非光滑形态应用于某典型高负荷扩压叶栅吸力面侧,以探究其对叶栅流动特性的影响.选取吸力面侧38%～60%弦长处4排深度介于0. 2 mm～0. 6 mm的凹坑为研究对象,基于经实验校核后的雷诺时均方法进行定常计算.结果表明:凹坑阵列能够有效消除沿叶展方向的分离泡,同时使得叶栅角区流向分离位置向叶片尾缘处移动.在设计马赫数下,凹坑对于通道涡沿叶展方向的抬升也起到抑制作用,简化了角区内涡系结构.基于上述原因,本文在吸力面附面层分离位置前设计的五种凹坑方案均能有效降低叶栅出口总压损失,损失降低最多达10. 8%;且随着凹坑深度的增加,损失呈现递增的趋势.

凹坑排列方式对高负荷扩压叶栅的影响

本文采用数值方法,研究了来流马赫数为0.7时,凹坑排布方式对高负荷扩压叶栅NACA0065-K48的影响。凹坑布置在10%~32%轴向弦长,排布方式分为平行排列和交错排列两种。通过对比3种叶栅的性能参数以及流场结构发现:凹坑叶栅在负冲角时可以降低流动损失并提升扩压能力,这是由于凹坑扰动使得附面层的湍动能水平提高,进而减弱了分离泡、角区分离以及二次流动;凹坑叶栅的叶型损失增加;平行排布方式具有更宽的工作范围,在-3°冲角时可以使得总压损失减小14.26%。

高负荷扩压叶栅非对称附面层抽吸数值研究

本文研究了某大折转角扩压叶栅单侧端壁开孔抽吸附面层对该叶栅气动性能的影响,数值方法经过了实验校核,抽吸位置位于靠近吸力面的端壁处,沿着叶栅的弦长方向共划分了四个抽吸方案,计算域包括下空腔。研究结果表明:在角区分离点处进行端壁附面层抽吸能够明显地改善抽吸侧角区的流动情况,达到推迟分离和降低损失的效果,但对未抽吸侧角区有不利影响,具体表现为分离提前、角区范围增大。

高负荷吸附式压气机叶栅开槽方案实验研究

在低速条件下对三种吸气槽方案的高负荷吸附式压气机叶栅进行了详细的实验研究。通过墨迹流场显示法对叶栅壁面流场进行了测量,利用五孔气动探针对叶栅出口截面进行了扫掠,并对不同叶高的型面静压进行了采集,详细分析了全叶高吸气方式和两种局部吸气方式对叶栅流场结构和负荷能力的影响。结果表明,采用吸力面两端吸气对抑制角区分离流动、减弱通道涡强度和尺度、提高叶栅内流动性能的效果要优于其它两种方式,积聚在角区的低能流体由于较大的吸气量而被大量吸除是性能改善的关键。

楔形涡流发生器影响高负荷叶栅性能的机理研究

为探究楔形涡流发生器流动控制技术的作用机理,对一低来流马赫数高负荷扩压叶栅开展数值模拟研究。提出在叶片前缘安装涡流发生器的方案,并对比分析了采用涡流发生器前后叶栅性能及通道内二次流结构的改变。研究结果表明,楔形涡流发生器诱导的吸/压力面涡类似于叶片前缘的马蹄涡,卷吸附面层低能流体,提高其抗逆压梯度能力,进而削弱横向流动,抑制角区分离;涡流发生器的强漩涡结构改善了叶栅通道二次流,使得损失重新分布,叶栅-3°到7°攻角范围内的气动性能显著提升,设计点-1°攻角时平均总压损失系数下降8.04%,平均静压系数增大7.75%,5°攻角时平均总压损失系数下降15.87%,平均静压系数增大21.79%。

开槽叶片对大转角扩压叶栅性能的影响

采用从压力面向吸力面开槽的局部流动控制方法,设计了一种收敛转折型的槽道结构.实验对不同冲角下开槽叶栅的进、出口流场进行了测量,利用实验结果对数值模拟结果进行了校核,通过数值计算进一步得到了详细的叶栅通道内流场情况,并进行了结构静力分析.结果表明:在4°进气攻角下,开槽后叶栅尾迹区宽度减小了16.7%,总压损失系数峰值减小了6.07%;在6°进气攻角下,总压损失系数峰值减小了14.7%.叶片开槽从压力面吸入的气流可有效加速吸力面附面层流动,抑制吸力面分离,从而降低总压损失,增大静压比,扩大稳定工作范围.槽道前壁面的转折处存在应力集中,需要进行改进.

周向槽抽吸影响扩压叶栅流动损失与旋涡结构研究

本文以高负荷扩压叶栅为研究对象,探究了周向槽附面层抽吸对叶栅流动损失及旋涡结构的影响,并给出叶栅拓扑结构和旋涡模型。为研究不同抽吸位置及抽吸流量对叶栅损失的影响,分别在前缘前16.6%弦长、前缘、前缘后16.6%弦长以及前缘后33.3%弦长处开设抽吸槽,抽吸流量分别为0.5%和1%。结果表明:附面层抽吸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,小抽吸流量下,附面层动能的提高不足以抵抗槽后低能流体回流所带来的损失.原型叶栅流道内主要存在马蹄涡、通道涡、壁面涡、壁角涡和集中脱落涡五种旋涡结构,附面层抽吸能够削弱通道涡及集中脱落涡强度,改善流动状况。

不同形状吸力面翼刀对叶栅二次流及性能的影响

本文以高负荷扩压平面叶栅为研究对象,基于雷诺时均方法进行定常数值计算,探讨吸力面翼刀侧面形状对吸力面二次流结构及气动性能的影响。吸力面翼刀位于25%叶高、33.3%∼100%叶片弦长处,侧面形状分别为圆弧形以及倒圆角后的三角形和长方形,与叶片连接处采用融合过渡设计。在-3°,0°和3°三个工况下的分析结果表明:侧面形状对二次流阻断效果有影响,侧面积越大的吸力面翼刀越有效:本文最佳侧面形状为长方形。在-3°和0°下,翼刀能削弱吸力面二次流,提升当地叶片负荷。在性能方面,翼刀主要降低叶型损失,但会附加一定的摩擦损失。长方形翼刀在-3°和0°攻角下均使能量损失系数降低0.7%,同时提升气流折转能力和压比。在3°冲角下,翼刀失效,叶栅损失升高。