压气机环形叶栅尾迹特性试验与数值模拟研究

尾迹特性是影响轴流压气机损失和气动稳定性的重要因素。采用带进、出口导流叶片的环形叶栅试验方法对轴流压气机叶片尾迹进行了详细的流场测量,并结合数值模拟手段对尾迹损失进行了分析。环形叶栅试验和数值模拟结果对比表明,SST湍流模型的稳态计算结果与试验结果更加吻合,对尾迹的预测更为准确。环形叶栅出口截面尾迹损失沿径向分布不均匀,在20%~50%叶高范围具有较高总压损失,在30%叶高处达到损失极值,其主要来源于下端壁边界层低速流体在叶片中后部沿着吸力面的径向迁移。通过对尾迹速度的分解以及总压损失发展的分析可知,尾迹在到达一倍弦长后,尾迹中的旋涡在与主流的掺混过程中逐渐减弱,叶栅出口损失仍然存在不均匀性,不均匀性的来源主要为轴向速度的亏损。     

不同攻角下涡轮叶栅边界层分离再附的大涡模拟研究

本文采用三维可压缩N-S方程的大涡模拟方法,对低压涡轮叶栅T106A边界层的演化过程进行研究,分析攻角的变化对吸力面边界层的分离再附位置、分离泡长度等流动现象的影响。基于弦长和出口速度的雷诺数为1.1×10~5,出口马赫数为0.4。研究结果表明:来流攻角为+7.8°时,叶栅表面静压系数、吸力面边界层分离和再附位置与实验结果吻合较好;边界层分离后在三维不稳定性作用下依次形成Λ涡、发卡涡等结构,最终发生转捩;当来流从正攻角向负攻角变化时,吸力面边界层的分离点向下游移动,分离泡长度逐渐减小。     

轴流压气机转子叶尖泄漏涡和尾迹在静子尖区的传播

用三维激光多普勒测速系统测量了轴流压气机设计状态转子叶尖泄漏涡和尾迹在静子尖区的传播过程。结果表明,转子叶尖泄漏涡和转子尾迹周期地扫过静子通道尖区,导致该区出现周期性的流动阻塞和脉动。转子尾迹在静子通道内追赶上从前一转子叶片通道内下来的叶尖泄漏涡,二者的相互作用和掺混导致静子尖区更为复杂的二次流动。同转子尾迹相比,转子叶尖泄漏涡对静子尖区的影响更为明显和深远。静叶尾部吸力面出现流动分离,分离流同低能物质之间发生相互作用和掺混。     

雷诺数对涡轮叶栅流动的影响

本文利用数值模拟手段模拟了涡轮叶栅内部三维流动,分析了雷诺数对涡轮叶栅内部流动图画的影响。结果表明在低于自模化雷诺数条件下,雷诺数的降低将对涡轮叶栅吸力面边界层的发展产生严重的不利影响。雷诺数降低至一定程度,将导致吸力面出现严重的分离,端部二次流流动相应加剧,使低雷诺数情况下涡轮叶栅性能恶化,在设计中应予充分重视。     

高负荷低压涡轮边界层转捩预测及其机理分析

本文利用数值模拟方法在不同雷诺数、自由来流湍流度(FSTI)下对某高负荷低压涡轮叶型边界层转捩流动进行了数值模拟,并与实验测试结果进行了对比。结果表明:该转捩模型在不同的雷诺数和FSTI情况下均可以得到满意的数值计算结果,而仪仪利用湍流模型得不到合理的计算结果;当进口特征雷诺数较低时,叶型表面长分离泡的出现在很大范围内改变了壁面处的静压分布;随着自由来流湍流度的提高,叶型吸力面分离点的位置靠后且其对应的再附点位置靠前,即分离泡长度较短,高来流湍流度可以减小叶型吸力面的分离区域,减小叶型损失。而较低的自由流湍流度则在叶型尾缘对应着较长的分离泡,增大了流动分离再附的预测难度。     

有大分离的压气机高压级静叶分离涡模拟研究

将分离涡模拟方法应用于高雷诺数压气机静叶有大分离的复杂流动计算中,研究该方法对分离的模拟能力.采用约280万网格,SA计算仅能得到定常结果.DES计算在叶片中部小分离区域,所得到的非定常波动较弱,尾迹掺混略慢于SA,结果整体上与SA类似.在叶片端壁附近有大分离的区域,DES结果捕捉到了明显的非定常现象与压力波动,计算表明吸力面涡脱落会加强掺混,而端壁分离则会加强尾迹.另外,DES计算比SA更详细地描述了涡结构.这表明DES有比SA更好的模拟大分离的能力.计算结果也加深了对静叶角涡与尾迹发展的认识.     

变工况下缩放型流道涡轮动叶中激波对吸力面气膜冷却的影响

为了研究涡轮缩放型流道动叶中尾缘燕尾型激波与叶片吸力面相互作用对气膜冷却的影响,本文对不同转速和不同吹风比下无导叶对转涡轮高压动叶吸力面上激波与二次流对冷却流动及壁面静温的影响进行了数值研究。冷却孔位于高压动叶吸力面约30%轴向弦长处,沿叶高均布。共模拟了三种转速(高压动叶),分别为5460r/min、6970r/min和7800r/min;在每个转速下分别模拟了两种不同冷却气流进口速度,分别为10m/s和20m/s。从模拟结果可见,高压动叶吸力面上静温过激波作用位置后会有明显的上升,且在不同工况和不同冷却条件下静温升的大小存在差异。在高压动叶吸力面两端,冷却效果下降明显,二次流成为影响气膜冷却的主导因素,尤其是在叶片顶部。     

叶型几何设计弱化叶片外表面换热的作用

本文采用γ-Re_θ湍流转捩模型,数值模拟了两组不同叶型的涡轮叶栅表面的表面换热系数。结果证明:1)数值计算正确地预测了转捩发生位置,保证了表面换热系数模拟的可靠性;2)由于叶片型线的差异,叶片表面流动的转捩位置也不同。控制叶片表面边界层流动状态,推迟流动转捩,能够降低叶片热负荷。在相同进、出口气流条件下,选择不同的叶栅造型参数,可以调整所产生的涡轮叶型,从而增强或弱化叶片表面的换热。     

压气机级间尾迹非定常流动的分析与利用途径探索

在真实轴流压气机中,上游静子叶排尾迹经由静止/旋转两套坐标系转换,对下游转子叶排流场进口气流产生准周期性扰动.对尾迹干扰下的转子非定常流场进行数值模拟,与传统设计定常流动假设下均匀进气的流场对比分析了尾迹干扰的影响.结果表明,在适当条件下,上游静子叶排尾迹运动对下游转子分离流旋涡运动能够产生有益的影响,改善叶背分离旋涡运动与转子叶片静压分布,提高转子流动效率与压比.     

压气机抽气级静叶吸力面抽气方式的研究

本文提出了将压气机系统性抽气与改善流道内部边界层流动相结合的方法,以提高压气机抽气级的性能.以某多级轴流压气机为例,采用数值模拟的方式讨论了压气机静叶吸力面抽气的可行性.通过不同抽气流量下3个算例计算结果的比较分析,证明了通过静叶吸力面抽气改善叶片性能和流动状况是可行的.     

动叶尾迹对跨声速压气机静叶非定常分离结构的影响研究

采用数值模拟的方法研究了动叶尾迹对跨声速压气机设计工况下静叶表面和下端壁分离结构的非定常影响规律。首先,采用Rotor37的实验结果验证了数值模拟方法的可靠性。通过对跨声速压气机设计工况的计算,认为定常计算和非定常计算的结果整体上是相似的,非定常计算考虑了动叶尾迹对静叶流场的影响。研究表明,动叶尾迹在向下游输运过程中经历了拉伸、扭曲、积聚和耗散的过程。动叶尾迹使动静叶交界面气流角发生周期性波动。动叶尾迹的扫掠,使静叶前缘闭式分离区域范围发生先增大后减小的周期性波动,使静叶尾缘分离形式呈现由闭式分离向开式分离的周期性转化。动叶尾迹的扫掠在马蹄涡吸力面分支前诱导出一个小尺度的旋涡,并使得静叶根部尾缘和下端壁角区处的螺旋点拓扑结构呈周期性变化。动叶尾迹的扫掠使得静叶压力面的局部高静压区发生周期性的迁移。     

进口热斑径向作用位置对无导叶对转涡轮低压级温度场的影响

为了探究无导叶对转涡轮进口热斑径向作用位置的变化对其低压级温度场的影响,运用CFD方法对某无导叶对转涡轮模型级的流场进行了三维非定常多叶片排的数值模拟.结果表明,进入低压动叶中的热斑流体的迁移特性主要由通道二次流控制;进口热斑径向作用位置的变化将直接影响到低压动叶中的通道二次流结构,转子通道中的二次流与涡轮进口热斑直接相关;进口热斑径向作用位置的变化将对低压动叶吸力面上的附加高温区的强度产生显著影响.     

计及旋转影响的轴流风机和压气机动叶栅损失模型之改进及其应用

本文通过对轴流风机动叶表面附面层内三元流动的理论分析和数学推导,得出了一种便于工程实际应用的,计及旋转效应的动叶出口尾迹宽度估计方法。在此基础上,本文发展了一种能计及叶片通道二次流和因叶片旋转所诱导的附面层径向迁移的动叶气动损失沿弪向分布的模型。将上述气动损失模型和动叶出口尾迹宽度估计方法分别应用于轴流风机气动计算和噪声估计,其结果同试验结果吻合甚好——效率计算误差小于1.3％,噪声(总声压级)计算误差小于1(dB)。     

涡轮叶栅气热耦合数值方法与验证

应用三阶精度TVD格式和自由型曲面阿格技术,对涡轮内冷叶片进行气热耦合数值模拟.结合商用软件采用多种湍流模型计算方法的结果进行实验验证和对比分析,结果表明,商用软件采用传统湍流模型对温度边界层的模拟是不合理的,采用考虑转捩的湍流模型,调整转捩起始雷诺数,可以较好地模拟温度边界层的热传导.本文对非转捩区边界层温度的计算结果与实验结果吻合较好.     

动叶具有缩放型流道的涡轮级效率特性分析

针对一动叶采用缩放式叶型设计、以无导叶对转涡轮为应用背景的涡轮级,通过数值模拟进行研究发现,在设计换算转速下,该涡轮级效率特性呈现"双峰僧'的特点。随着落压比增大,首先动叶进气攻角由负变为零,效率升高并达到极大值;其后,动叶流道内形成正激波,其自身产生波阻并在吸力面引起边界层分离,效率下降;随后,该激波向下游移至叶片尾缘,尾迹损失明显增加,加上波阻、边界层分离的综合作用,效率达到极小值;然后,该激波演变为尾缘斜激波,自身波阻减小,而且它在吸力面引起的边界层分离消失,流道内总体损失下降,效率又会上升并在设计点附近达到极大值;其后,该激波波前马赫数不断增大,波阻损失随之增加,同时尾迹损失也持续增加,效率又会下降。结果显示,高负荷跨音工况下激波与边界层干扰引起的边界层分离损失以及动叶高出口马赫数时尾缘区域的损失(包括波阻损失和尾迹损失)占总体损失的至少1/2以上,在设计优化过程中应重点关注与之相关的动叶吸力面扩张段和叶片尾缘区域。     

开式轴流风扇气动噪声预测

本文采用LES/FW-H的匹配方法,研究了开式轴流风扇内部旋涡流动特征及其与叶片表面干涉引起的气动噪声之间的联系,同时进行了远场噪声预测,探讨了叶轮不同表面辐射噪声时的频谱分布特征.研究结果表明,开式轴流风扇吸力面附近形成的叶尖涡和前缘分离涡在吸力面叶片表面相应位置形成大压力波动,形成主要噪声源;叶片吸力面的辐射噪声可以通过改善吸力面附近的旋涡流动来降低;低速轴流叶轮由叶轮壁面辐射的噪声以宽频成分为主.     

涡轮转速对无导叶对转涡轮流动特性的影响

为了探究无导叶对转涡轮在不同涡轮转速下的流动特性,运用CFD方法对某无导叶对转涡轮模型级的流场进行了三维定常多叶片排的数值模拟.结果表明,涡轮转速的变化对无导叶对转涡轮的喉部位置基本没有影响;随涡轮转速的升高,高压动叶内的激波损失增大,低压动叶内的激波损失减小,源生于低压动叶吸力面上的激波沿吸力面向尾缘移动;对于远离设计点的非设计工况,流动分离损失及低压动叶中的激波损失构成了对转涡轮损失中的主体;涡轮转速的变化对高低压动叶出口气流角及高压动叶出口马赫数的影响作用较大;高低压涡轮出功比、对转涡轮的总功率及等熵效率均随涡轮转速的增大而增大.     

低雷诺数下周期性尾迹／层流分离泡相互作用的大涡模拟

本文采用大涡模拟(LES)方法,对低雷诺数条件下周期性尾迹/层流分离泡的相互作用进行了数值模拟.计算域入口尾迹采用独立计算的平面尾迹流给出.对周期性尾迹作用下的层流分离泡进行了统计特性及瞬态流场分析,并与相同条件下的无尾迹流动进行比较.计算结果表明:在尾迹作用下,时均层流分离泡长度明显缩短,分离泡变小;相位平均的分离点/再附点随时间不断变化;从瞬态结果容易看出,尾迹诱导的流向涡结构是导致分离泡提前转捩的主要原因.     

转捩边界层中流向条纹的新特性

基于边界层转捩后阶段的高精度直接数值模拟结果,发现流向条纹结构的低速条纹的演化过程中存在不连续现象,以及随高速条纹的发展会出现称之为"高速斑"的新特性. 通过详细剖析边界层转捩过程中的复杂涡系结构以及上喷下扫流动现象,证实流向高低速条纹新特性与流场涡系结构的演化过程紧密相关. 关键词： 流向条纹 边界层 转捩 直接数值模拟     

某超高负荷低压涡轮叶型气动性能分析

针对某系列Zweifel数约为1.6的超高负荷低压涡轮叶型,分别对其在定常来流条件下、上游尾迹扫掠条件下的二维流动开展了数值研究.计算结果表明,在低雷诺数、低湍流度工作环境下,叶片吸力面存在较大层流分离,且前加载叶型二维气动性能优于后加载叶型.同时,上游尾迹扫掠对超高负荷低压涡轮叶型分离流动控制作用有限,需引入新的流动控制方法.研究结果对超高负荷低压涡轮设计有较好的启示.