跨音压气机转子叶尖流场试验与分析

本文利用高频响动态压力测试技术测量了某跨音压气机转子叶尖间隙流场,其中包括对跨音转子叶尖漏流和激波／漏流干扰的细致流场特征．测试结果表明激波在机匣壁面处受漏流干扰的影响相当大,这一干扰分别来自于前缘漏流涡的干扰和叶尖第二次漏流对通道激波的直接冲击干扰,使激波结构呈“S”形.在低背压高攻角条件下,转子存在十分明显的尾涡．     

跨音速轴流风扇转子叶顶泄漏流的数值研究

采用数值模拟方法研究了不同间隙,不同流量工况下叶顶泄漏流非定常流动特征,发现在研究的三个间隙中,只有当间隙大于或等于设计间隙时,流动才会出现非定常性.随着流量的减小,泄漏涡轨迹前移,当泄漏涡轨迹到达相邻叶片压力面时,影响压力面压力分布,打破流场静态平衡,引起叶顶流场及激波位置、强度发生非定常波动.     

来流边界层效应下斜坡诱导的斜爆轰波

以超声速预混气中的斜爆轰波为研究对象,对其在来流边界层效应下的特性进行了实验研究.在马赫数为3的超声速预混风洞中,通过斜坡诱导产生了斜爆轰波.当来流的当量比较低时,预混气中产生的是化学反应锋面与激波面非耦合的激波诱导燃烧现象.此时边界层分离区中的化学反应放热将使分离区尺度显著增大,流场非定常性显著增强,激波位置剧烈振荡.当来流的当量比较高时,预混气将产生斜爆轰波.此时边界层分离区会影响到斜爆轰波起爆时的形态.在小尺度分离区下,斜爆轰波起爆时呈突跃结构(有横波);在中等尺度分离区下,流场固有的非定常性使斜爆轰波呈间歇突跃结构;在大尺度分离区下,斜爆轰波起爆则呈完全的平滑结构(无横波).     

旋转冲压压缩转子激波/附面层/泄漏流干扰研究

为分析附面层和泄漏流对旋转冲压压缩转子内激波结构的影响,开展了旋转冲压压缩转子内部流场的数值研究,并从激波形成与变化的角度分析激波与附面层,激波与泄漏流的相互作用。研究表明,S_2流面激波与轮毂附面层、S_1流面激波与隔板尾缘低速分离流体团相互作用能够改变激波的结构形态、作用位置,压比升高时低速团的影响范围增大。S_1流面激波在泄漏涡的作用位置处发生偏折,与无间隙时相比,有间隙时旋转冲压压缩转子在喉部及以后流道内更易形成激波串。     

强梯度复杂流场中的粒子动力学响应试验研究

示踪粒子在(高)超声速流场中的动力学响应是粒子成像测速等粒子示踪测量技术的关键问题之一.现有文献对粒子动力学响应的试验测量往往是通过单个斜激波响应的测量方法.然而,当示踪粒子用于测量高速飞行器发动机内部复杂的激波串流场时,粒子将经历由多道激波导致的速度、压力、黏性等剧烈变化.本文结合目前(高)超声速飞行器的研究热潮,重点关注示踪粒子在应用于发动机内部具有连续激波的复杂流场测量中存在的跟随性评估方面,开展了一系列的相关试验研究.包括测量超声速风洞的喷管出口速度分布以验证测试系统的性能,在马赫4.2和3.0流场中测量了粒子对二维10°和15°单斜劈绕流中的斜激波动力响应,并测量了模拟发动机内部连续梯度的双斜劈粒子斜激波动力响应.结合粒子动力学的理论模型,得到了各状态的粒子弛豫时间、弛豫距离、Stokes数.基于图像方法、统计学规律分析了激波非定常抖动对测量结果的影响,并对测量结果进行了修正.结果显示,相同斜劈角度下,马赫数越高,粒子的弛豫时间、弛豫距离就越大.但是在相同的来流马赫数下,斜劈角度越大,粒子的弛豫时间、弛豫距离反而减小.在强梯度之后由于流场的雷诺数和黏性系数变化剧烈,粒子的跟随性降低了大约5.7%,stokes数增加了约1%.虽然在本文条件下Stokes数仍满足超声速流场对粒子跟随性的要求,但粒子响应的降低无疑是值得关注的,尤其是当其被应用于具有更多连续梯度的复杂流场测量中.     

基于弯曲激波特征线法的两级压缩内收缩流场设计与分析

进气道是超声速飞行器的关键部件,设计核心是无黏超声速流场的确定,而波系结构又直接决定了流场的性能。考虑到实际应用价值,基于给定激波的超声速流场反设计至关重要。传统单道入射波的流场结构简单,压缩效率不高,且传统特征线法（method of characteristics,MOC）无法获得高阶的气动参数。为了拓展设计思路,首先利用弯曲激波特征线法展示了内收缩超声速流场不同的单元过程,随后基于此法提出了一种已知入射和反射激波的两级压缩内收缩流场的概念及反设计方法。基于此法设计的基准流场与数值模拟结果吻合良好,双入射激波可以提高压缩效率并缩短长度,能够实现波系结构和出口参数的分布可控,在非均匀来流条件下也能得到相应型面。在给定激波的条件下,求解分析了一系列具有中心体的轴对称流场,讨论入射和反射激波激波角分布对流场气动参数和几何参数的影响。弯曲激波特征线法的精确性和有效性使其成为平面/轴对称超声速流场反设计的良好候选。      

跨声速压气机转子叶尖涡系结构分析

本文以NASA rotor 35为研究对象,采用定常和非定常数值模拟方法对其全稳定工况范围内的流场进行了数值模拟。以此为基础,将广泛应用于旋涡结构识别的特征向量法和Lambda 2方法引入到压气机叶尖流场的分析中。流场分析表明:当在流向涡稳定发展时,lambda 2方法和特征向量法均可以准确地提取叶尖流场中的主要涡旋;当流向涡结构遭到破坏时,lambda 2方法在涡破碎区失效,而特征向量法则可以更为深入地描述破碎区的情况。从阻塞工况到近峰值效率工况,叶尖通道中除了主间隙涡之外还有若干二次间隙涡,二次间隙涡的分布与通道中激波的变化紧密相关;而从近峰值效率工况到失速边界工况,叶尖涡系不再发生变化,但主间隙涡与激波干涉效应不断增强,叶尖流场先后历经了激波后近压力面侧低速阻塞区的出现、主间隙涡的泡式及螺旋式破碎。     

流经矩形喷嘴的超音速射流啸叫模式切换的实验研究

通过实验分析比较了对于相同高度不同宽度的四种矩形喷嘴, 当压力在0.2 MPa到0.8 MPa 之间变动时, 欠膨胀超音速自由射流的啸叫特性和对应的流场纹影结构.结果表明: 不同宽高比喷嘴的超音速自由射流辐射噪声中的单频离散啸叫存在两种不同的啸叫模式, 且随着射流压力的变化会出现模式间的切换.所谓模式切换是指不同模式的轮流占优和消失的现象.啸叫模式间的切换及占优区间的宽度随着喷嘴宽高比的减小而缩短.其中, 宽高比为2的射流啸叫模式中的一种模式所占的射流压降区间异常小, 此现象未在相关文献中提及; 喷嘴宽高比为4的射流啸叫占优区间内, 啸叫基频-射流压力曲线在0.49 MPa时出现了间断、跳跃现象.随着压力的降低激波纹影的轴线出现了抖动, 不同宽高比下流场结构的稳定性随压力变化的规律各异.射流压力在0.70 MPa到0.45 MPa区间内, 随着宽高比减小, 第一波节格栅的激波致密度减弱, 且出现轴向脉动, 第二波节后方的流场变得紊乱; 当射流压力低于0.45 MPa 时, 激波串结构随着宽高比的增大而趋于稳定, 在此压力区间内周期性激波格栅结构较射流压力在0.45 MPa以上时有所减弱.结合啸叫频谱及纹影图分析, 可初步认为, 第二、三波节也会对啸叫频率的声压幅值起到反馈增强作用.     

激波/边界层干扰对等离子体合成射流的响应特性

利用高速纹影系统和数值模拟方法研究了激波/边界层干扰对逆流喷射的等离子体合成射流的响应特性,并揭示了流动控制机理.实验在来流马赫数Ma=3.1的风洞中进行,测试模型采用钝头体和压缩斜坡的组合模型,等离子体合成射流激励器安装在钝头体头部.纹影系统捕捉了放电频率为f=1 kHz和f=3 kHz的激励对附体激波形态和分离激波运动的控制效果.等离子体合成射流使压缩斜坡激波/边界层干扰区域的起始点向下游移动,分离泡尺寸减小,附体激波强度减弱,发生弯曲,再附点移向上游,与此同时分离激波向附体激波逼近.与f=3 kHz激励相比,f=1 kHz激励的射流流量更大,对激波/边界层干扰的影响范围更广、控制效果更好.通过数值模拟,揭示了射流与来流相互作用对下游流场的作用机理:射流与来流相互作用诱导出大尺度旋涡,大尺度旋涡耗散发展增强了近壁面流场的湍流度;压缩斜坡上游近壁面的流场性质发生变化,进而导致了压缩斜坡激波/边界层干扰区域流动的变化.     

来流Mach数连续变化下的激波串运动特性

为了研究入射激波变化的隔离段内激波串的运动特性,设计并搭建了直连式变Mach数实验系统,捕捉了相同来流Mach数变化速率、不同背压变化速率下激波串的运动行为,揭示了入射激波与背压同时变化对激波串运动的影响机理。入射激波与背压同时变化时,共有3个方面的因素会影响激波串整体的上下游运动趋势,其一,Mach数变化,Mach数增大导致激波串向下游运动,该影响随Mach数增大逐渐减弱;其二,背景波系移动,背景激波反射点靠近激波串前缘时,可能引起激波串的突跳;其三,背压压比变化,背压压比增大时激波串向上游运动,该影响随背压压比增大逐渐增强。三方面因素共同作用下激波串表现出复杂的运动。      

叶顶间隙对冲压叶轮激波结构的影响

本文采用数值模拟方法研究了带有叶顶间隙的冲压叶轮内部流场结构,分析了叶顶间隙泄漏流对冲压叶轮内部激波波系的影响。研究表明,由于叶顶间隙泄漏流的影响,在叶片展向高度85%以上的区域,冲压叶轮通道内的激波波系受到较大的影响,甚至导致叶尖区域的激波波系完全被泄漏流的影响破坏,并在叶片吸力面形成一道斜激波,形成了新的激波波系,并且由于泄漏流的存在使得流动损失增加。     

前缘弯掠斜流转子叶顶间隙流动特性数值分析

本文对前缘弯掠斜流转子叶顶间隙内的流动特性进行了数值分析。结果表明:叶顶间隙气流与主流发生卷吸而生成泄漏涡。泄漏涡作用的区域具有较低的压力分布。在叶片通道内,泄漏涡沿着与转子旋向相反的方向朝相邻叶片的压力面移动。大间隙时的泄漏涡比小间隙时强烈。低流量时泄漏涡的作用区域比高流量时大。在各种流量特性下,叶顶尾缘近吸力面区域都存在着二次间隙流。     

离心压气机叶尖间隙泄漏流动数值研究

采用离心压气机计算机辅助设计系统,设计了一个离心压气机叶轮,对这一叶轮在不同叶尖间隙下内部流场进行了数值计算。给出了不同弦长截面二次流矢量、二次流流以及机匣壁面极限流线等计算结果。结果表明叶尖间隙的大小与泄漏流动的强度密切相关。分流叶片的泄漏流动随着叶尖间隙的增大而增强。通道涡与合适的叶尖间隙所形成的泄漏涡相互作用可以削弱泄漏强度,改善流动。     

叶顶间隙对离心压气机性能影响的研究

叶顶间隙的研究长期以来一直是叶轮机械研究和设计的热点和难点。本文采用CFD软件研究了进口叶尖相对马赫数分别为0．9、1．15、1．3时,有、无间隙的离心叶轮的气动性能,比较了压比、效率及流量的差别。并分析了用于 100 kW微型燃气轮机的高压比、高转速离心压气机在三种不同尺寸叶顶间隙下的性能,讨论了间隙影响的原因。数值模拟结果表明,叶顶间隙在一定范围内时,间隙主要减弱叶轮的升压能力,基本不影响效率和阻塞流量。     

1＋1/2对转涡轮高压动叶顶部间隙流场数值研究

本文对1 1/2对转涡轮中高压动叶顶部间隙中的流动进行了详细的数值研究.通过分析沿弦向不同位置截面上的相对马赫数、速度矢量及静压等的分布,研究了高压动叶间隙及附近的波系及涡系分布.由于1 1/2对转涡轮高压动叶为缩放型流道,其间隙中出现了明显的超音流动,这与普通涡轮间隙中的流动存在明显不同.     

周向弯曲低压轴流风机叶顶泄漏流动数值研究

本文采用数值模拟的方法,对三种带有周向弯曲叶片的低压轴流通风机(原型叶轮、周向前弯及后弯叶轮)的叶顶泄漏流动进行了研究。在数值计算与试验测量结果较为吻合的条件下,从流场和压力场等不同角度分析探讨了叶片周向弯曲后,叶顶泄漏流动和泄漏涡的形成和发展规律。数值计算结果表明,叶顶周向前弯加剧了泄漏涡与主流的掺混;周向后弯叶轮比前弯叶轮有助于减弱叶顶泄漏流动;强度大、衰减慢的泄漏涡,降低了叶顶的通流能力,同时与主流的掺混加剧也增大了叶轮的端部损失;此外,顶部间隙高度的增加,泄漏流动加强,旋涡的起始点更靠近叶片后缘。     

喷气对低速轴流压气机转子叶顶区域流动的影响

本文采用数值模拟方法研究了近失速工况动叶顶部前缘附近喷气对低速轴流压气机孤立转子叶顶区域流动的影响.受喷射气流的影响,叶顶泄漏流进行自发非定常波动的动态平衡被破坏,建立起新的周期性非定常波动;喷气不仅改变了叶顶泄漏流的起始触发位置,还影响到其形成后的形态和运行轨迹;且喷气后叶顶附近区域损失减小.     

轴流压气机时尖泄漏涡的时均流动

用三维激光多普勒测速系统测量研究低速大尺寸单级压气机设计状态转子内尖区流场．结果表明，泄漏流在气流一进入转子叶片通道就开始发生，发生于前半弦长，其诱导形成的泄漏涡约在30％弦长处达到最强，随后逐渐衰减，其涡核顺下游慢慢向压力面方向和低时高方向移动，涡核在转子出口移至通道中部．泄漏涡影响区域沿流向逐渐扩大，并向压力面方向和低叶高方向移动．设计状态叶尖泄漏涡在转子尖区流动中起主要作用，是造成尖部流动阻塞的主要因素．     

近失速状态轴流压气机转子内尖区三维流动结构

用激光测速系统测量了低速大尺寸单级压气机近失速状态转子内尖区三维流场。结果表明泄漏流在转子进口开始产生,泄漏涡约在１０％弦长最强,并迅速向压力面和低叶高方向移动,沿程造成高紊流和高阻滞。叶尖吸力面附面层发生分离,迫使角区低能物质和旋涡在下游逐渐向通道中部移动,造成转子出口尖部通道中部大面积流动阻塞和紊流脉动。角区旋涡及泄漏涡影响区域紊流强度较高,其中径向分量最高,远大于轴向和切向分量。前缘马蹄涡压力面分支存在于转子进口叶尖压力面角区,并迅速向低叶高和通道中部移动,约在２０％弦长和泄漏涡交汇。