Numerical Investigation of Influence of Rotor/Stator Interaction on Blade Boundary Layer Flow in a Low Speed Compressor

Numerical method was applied to the unsteady flow simulation at the mid span of a two-stage low speed compressor,and the blade boundary layer flow under rotor/stator interaction was investigated.By the model of wake/boundary layer interaction provided in this paper,the simulated blade frictional force and the boundary layer turbulent kinetic energy,the influence of wake/potential flow interaction on the blade boundary layer flow was analyzed in detail.The results show that under the condition of rotor/stator interaction,the wake is able to induce the stator laminar boundary layer flow to develop into turbulent flow within a certain range of wake interaction.In the stator suction boundary layer,an undisturbed region occurs behind the rotor wake,which extends the laminar flow range,and the wake with high turbulent intensity has the capability to control the boundary layer separation under adverse pressure gradient.

斜激波入射内凹半圆柱面湍流边界层数值模拟

针对三维内转式进气道中的激波/边界层干扰问题,提出了斜激波入射内凹半圆柱面的简化模型,在来流马赫数为6的条件下,采用数值模拟研究了气流偏转角θ=6°~14°的斜激波与内凹半圆柱面边界层的相互作用。结果表明,从上游至下游,斜激波与内凹半圆柱面干扰产生了以扫掠、入射及反射为主要特征的流动结构。斜激波扫掠内凹半圆柱面边界层诱发流动分离,分离激波与入射激波的干扰类型均从马赫反射转变为规则反射,不满足经典扫掠流场的准锥形特征。扫掠过程中产生的不断增厚的低能流向对称面汇聚,并进入由斜激波入射产生的分离区内,使得分离区长度增加。随着θ的增大,分离区的流谱呈现不同的形态,当θ≥10°时,低能流在对称面撞击后形成流向涡对,当θ=14°时,流谱中的旋风涡消失。当入射激波反射后,低能流集中在对称面处,其高度沿流向持续增加。随着θ的增大,内凹半圆柱面出口截面的总压恢复系数减小,而低能流区的总压恢复系数略有增大。

考虑熵层效应的扫掠激波/湍流边界层干扰特性研究

为了探究熵层对扫掠激波/湍流边界层干扰特性的影响规律,采用仿真方法对尖鳍/钝板物理模型进行研究。结果表明:扫掠激波上游的熵层厚度随着平板前缘钝化半径的增大而增加,同时边界层厚度也随着熵层厚度的增加而增加。熵层的引入并不改变扫掠激波/湍流边界层干扰固有的准锥形相似特性,也不会改变拟锥原点(virtual conical origin,VCO)的位置,仅会改变干扰形成的上游影响线和分离线的角度。扫掠激波/湍流边界层干扰形成的锥形主旋涡和角涡的尺度随着熵层厚度的增加而增大。上游熵层的引入增大了下游扫掠激波/湍流边界层干扰区的总压损失,但扫掠激波/湍流边界层干扰自身造成的相对总压损失并不受上游熵层的影响。

静叶时序对压气机叶片附面层流动影响的数值研究

采用数值方法对两级低速压气机中径处的非定常流场进行模拟,针对压气机第2排静叶两个典型周向位置对动静叶干扰下的叶片附面层流动进行研究。建立尾迹与附面层干扰分析模型,结合叶片壁面摩擦力和近壁面附面层湍动能,详细分析了尾迹和势流干扰下静叶时序改变对叶片附面层流动产生的影响。对第2排静叶附面层的研究结果表明:静叶时序改变了尾迹在其叶排中的输运特征,能够降低壁面摩擦力和近壁面湍动能及其非定常最大波动幅值,影响吸力面附面层内动叶尾迹后沉寂区的宽度。在非定常条件下,尾迹能够诱导静叶层流附面层在尾迹干扰的局部范围内转捩发展为湍流状态,同时高湍流度尾迹的干扰具有抑制逆压梯度下附面层分离的作用,并能够延长层流区的范围。

尾流干涉及边界效应对两圆柱体涡激振动影响

基于CFD数值模拟研究不同排列方式的两圆柱体涡激振动问题,采用ANSYS/CFX计算刚性圆柱体和弹性圆柱体的涡激升力和脉动拖曳力及上下游圆柱体和横流向相邻圆柱体的涡激升力和脉动拖曳力。基于数值分析结果分析流固耦合效应对圆柱体涡激振动的影响及尾流干涉现象对尾流圆柱体和边界效应对横向相邻圆柱体涡激振动的影响。研究表明,尾流干涉及流固耦合作用将增大尾流圆柱体的涡激升力和脉动拖曳力;边界效应和流固耦合对垂直来流的两圆柱体涡激升力和脉动拖曳力有增强作用,并造成两圆柱体涡激升力之间产生的相位差最大为180°。

数值研究平板方舵激波-湍流边界层干扰

数值研究了平板方舵激波-湍流边界层干扰流场。模拟出了分离激波与弓型激波砬撞后形成的“λ”激波结构;消晰地显示了分离区中的旋涡结构,发现流场中会出现二次分离涡,并从理论上分析了流场对称面涡心形态与非定常的关系,得到了涡心为不稳定螺旋点或出现极限环是非定常流动特征的新结论。

圆柱尾迹影响平板边界层转捩的实验研究

利用氢气泡和染色液流动显示的方法,在水槽中研究了圆柱尾迹对平板边界层转捩的影响。重点讨论圆柱与平板的流向距离和法向距离以及圆柱直径等几何参数对边界层转捩的不同作用,发现平板边界层转捩开始点的位置由尾迹与边界层作用的初始位置决定,这一位置由圆柱与平板的相对几何位置来确定。转捩区长度与边界层内部流体性质、扰动强度等有关,同时也受到圆柱、平板相对几何位置的影响。对转捩区近壁二次涡的产生和演化进行分析,发现尾迹对平板边界层的扰动是通过在近壁面诱导二次涡并影响二次涡的后续运动来体现,二次涡及其演化是边界层转捩位置大为提前的重要原因。

非设计状态下尾迹输运对高负荷低压涡轮附面层的影响

为了研究非设计状态下的上游尾迹在叶栅通道内的形态演化与发展,分析尾迹与叶片吸力面附面层的相互作用,基于高负荷低压涡轮(LPT)叶型Packb对非设计状态下尾迹输运进行了研究。研究主要通过数值模拟的方法进行,使用CFX软件,利用LES模型耦合Smagorinsky亚格子模型。讨论了非定常来流0°和+10°攻角工况下,尾迹与吸力面附面层相互作用的差异。分析发现,+10°攻角工况时,尾迹对附面层转捩的促进作用较0°攻角工况时更为显著;+10°攻角工况时,尾迹与附面层的相互作用时间更长,尾迹诱导转捩的起始位置更靠上游。

变高度圆柱诱导的激波边界层干扰

采用分区方法及Roe三阶流通量差分分裂格式求解雷诺平均N－S方程，湍流附加黏性系数用Baldwin－Lomax模型计算，数值模拟了高超声速条件下变高度圆柱诱导的激波边界层干扰，其流场的主要特性均与实验结果一致或规律相同，结果清晰地展示了流场结构以及气动载荷分布随柱高度的变化特征，并说明激波碰撞和旋涡运动都可能导致飞行器表面局部气动载荷的增加．

多级压气机动叶不同CLOCKING位置下尾迹/附面层干扰分析

采用harmonic非定常计算方法模拟了某型燃气轮机中间三级轴流压气机流场,研究第二级动叶处于不同CLOCKING位置下尾迹输运机理,指出在非定常条件下,叶片排之间干扰主要来自于尾迹和势流对叶片排的交替作用。在CLK0位置,上游尾迹的输运主要表现为单个尾迹向下游的传播过程。在CLK2位置,上游动、静叶片尾迹掺混发生显著不同,上游尾迹的输运呈现多个尾迹的传播过程,进而导致下游叶片非定常气动负荷的波动幅值出现显著差异。

超声速气流中激波/边界层干扰微射流控制研究进展

激波/边界层干扰现象在超声速流场中不可避免,这种现象的存在会对超声速飞行器内外流场产生一系列的不利影响。所以,对激波/边界层干扰现象进行控制是十分必要的。微射流主动流动控制方法近年来已成为流动控制领域的研究热点。本文梳理了近年来微射流主动流动控制方法对激波/边界层干扰控制的相关研究进展,综合分析了影响单孔微射流和微射流阵列控制效果的因素,并对目前研究的不足和发展前景进行了探讨,以期对相关研究提供参考。

中压低温透平膨胀机膨胀端三维数值模拟

采用CFD方法对某型号中压低温透平膨胀机膨胀端进行整机全周数值模拟,全面考虑了进气蜗壳、叶顶间隙气封、轮背气封和轴封等细节结构对膨胀端气动性能和流场的影响。研究结果表明:进气蜗壳的几何形状是造成喷嘴进口气流沿叶高方向分布不均匀的主要原因;轮背气封、叶顶气封和轴封内存在明显的旋涡流动,且叶顶气封是典型的后台阶流动,齿封内和台阶后旋涡涡轴方向相反;喷嘴和叶轮之间过小的间隙导致气流在喷嘴压力面一侧形成激波,激波/附面层干扰使叶片和下端壁附面层同时分离,在上、下端壁角区各形成一个弯曲的涡管,最后终止于动静交界面。

立楔诱导的高超声速流动分离数值分析

高超声速飞行器进气道等关键部件引起的激波与边界层相互作用将导致流动分离,从而改变当地压力分布与局部受热情况,影响飞行稳定性与飞行安全,因此需要对高超声速流动的分离现象进行细致研究。采用高精度5阶特征型WENO格式与3阶TVD型Runge-Kutta方法,求解三维Navier-Stokes方程,对立楔诱导的高超声速激波与边界层相互作用引起的分离流动流场结构进行了细致的数值模拟与分析。结果表明,5阶特征型WENO格式分辨率远高于类TVD格式;Ma=6时得到清晰的激波结构、分离涡结构及其演化过程和壁面极限流线的拓扑结构,证明了WENO格式应用于高超声速分离流动的可行性与高分辨率;对不同来流Mach数的对比证明Mach数的增大抑制流动分离,导致分离涡减小。

尾迹/势流干扰对跨声速风扇静叶附面层流动影响的数值研究

为揭示尾迹/势流干扰下压气机静叶附面层的非定常流动机理,采用数值方法对单级高负荷跨声速风扇中径处的非定常流场进行模拟,针对尾迹/势流干扰下的静叶附面层非定常流动特征进行研究。基于尾迹/势流与叶片附面层干扰模型,通过叶片壁面摩擦力、近壁面附面层湍动能和壁面静压脉动,详细分析了尾迹和势流干扰下尾迹对高负荷静叶附面层流动状态的影响。研究发现:在非定常条件下,尾迹干扰能够"刺穿"静叶附面层,使得静叶附面层发生跨越转捩现象。尾迹和受其诱导的势流碰撞静叶前缘产生的压力扰动波在压力面附面层内以声速传播,影响压力面整个弦长的静压和摩擦力分布,而在吸力面上,扰动波的传播仅局限在前缘区域部分弦长上,吸力面和压力面传播现象不同与逆压梯度和曲面凸、凹形状相关。

圆柱尾涡/边界层相互作用中二次涡特性研究

应用流动显示的方法研究水槽中上游圆柱绕流尾涡与平板边界层的相互作用,发现边界层外的尾涡可以诱导边界层内流体产生新的二次涡结构,对二次涡的产生条件、形成机理和演化规律进行了探讨。结果表明:尾涡/二次涡的相互作用是尾涡与边界层相互作用的核心,尾涡涡脱落St数的变化、尾涡反弹现象、边界层内二次涡的产生和尾涡/二次涡相互作用的不同形态等均与无量纲参数yc/D有关(yc为圆柱距离平板的法向位置,D为圆柱直径),并可以此参数对尾涡/边界层相互作用的特性进行分区。

近壁圆柱绕流尾流的特性

近壁圆柱绕流是许多工程问题分析简化的物理模型。圆柱尾流与壁面边界层的相互作用产生了复杂而丰富的多尺度湍流结构。文章对工程中由这种湍流结构引起的圆柱涡脱落频率、圆柱所受阻力和升力的变化,以及这种湍流结构的产生和演化的规律进行了综述和分析,并对进一步开展的研究提出了建议。

高超声速进气道/隔离段内流特性研究进展

作为超燃冲压发动机的增压部件,高超声速进气道/隔离段内部存在一系列的复杂流动现象,本文概述了该领域的相关研究进展。高超声速进气道/隔离段内存在多种激波/边界层干扰现象,并受到膨胀波系等的干扰,使其特性偏离了传统基于简化模型的研究结果,具有显著的三维干扰特征、多波组合干扰特征,并在通道内诱导出了显著的二次流,特别是角区旋涡流动。隔离段内存在复杂的激波和膨胀波结构,这些背景波系在隔离段内不断反射,形成显著的流向和横向参数间断。当出口流道发生几何或热力壅塞时,隔离段内会出现更为复杂的激波串现象。激波串和上游背景波系、角涡相干,呈现出明显的偏向性,并在前移过程中可能会出现两种特殊的动态前移过程。尽管最近对高超声速进气道/隔离段内流特性的认识得到了极大地提高,但仍然有较多的基础问题亟待解决。

基于双微楔的高超声速激波与边界层干扰控制研究

高超声速飞行器在流场中通常会伴随激波与边界层干扰(SWBLI),其引发的流动分离将导致进气道性能下降。采用分离涡模型结合有限体积离散方法、自适应网格加密技术,对来流马赫数为7.0流场中SWBLI诱导的流动分离进行数值模拟,并基于边界层流向速度、压力梯度、形状因子、总压损失等参数讨论了不同微楔高度的控制效果,分析双微楔的控制机理。研究结果表明:双微楔产生的两对流向涡对之间的相互诱导促进了各自流向涡对之间的卷吸作用,使得双微楔对分离气泡的消除效果优于单只微楔;流动总压损失系数随着微楔阵列高度的增加呈先减小、后增加的趋势;综合讨论流向涡强度与形状阻力的影响,高度为35%分离气泡厚度的双微楔控制效果最好,分离气泡局部可减小至回流消失,边界层形状因子峰值降低86%,总压损失降低1.9%.

动态微涡流发生器对激波/边界层干扰的影响研究

为了探索动态微涡流发生器(MVG)的性能,基于OPENFOAM数值仿真平台,采用动态网格技术和湍流离散涡(DES)模型,研究了MVG以一定速度向下游移动时,激波/边界层干扰(SWBLI)流场特性的变化,重点关注干扰区域内的流向和展向的流场特性。来流马赫数为4,MVG向下游移动速度为0,20和40m/s。研究表明:当MVG向下游移动时,SWBLI区域的“弓”形高压区会演化成“双弓”形;入射激波形成高压区的压力明显降低,同时,入射激波和反射激波形成高压区的峰值位置均会向下游移动;流场下游“双圆弧”状高压区的高度逐渐降低;SWBLI区域边界层的高度逐渐降低,同时边界层底部的速度也有所降低;随着MVG移动速度的增加,对SWBLI流场的控制效果更加明显;动态MVG对流场的控制是通过尾迹涡和波系结构实现的。

连续双扫掠激波/湍流边界层干扰流动特性研究

为了探究连续双扫掠激波/湍流边界层干扰的流动特性,采用仿真方法对一双尖鳍/平板物理模型进行研究。结果表明:双扫掠激波/湍流边界层干扰形成的两个干扰区存在明显的相干现象,虽然第一道扫掠激波/边界层干扰流动仍具有典型的准锥形相似特性,但受其干扰所形成的非均匀流的影响,第二道扫掠激波/边界层干扰却不再具有准锥形相似特性,同时第二个干扰区将影响其上游临近气流的运动甚至影响第一个干扰区的再附线和分离线等结构。两个干扰区形成各自的λ波结构,并且沿着流向两个干扰区内的激波结构相互汇聚,最终合并为单个更强的λ波结构;不仅如此,两个干扰区内还形成了复杂的旋涡结构,包括一级主旋涡和二级主旋涡,这些旋涡向下游运动,最终融合成一个尺度更大的锥形主旋涡。