压气机叶栅通道中二次流动对三维角区分离流动的影响

本文数值模拟研究了不同攻角下压气机PVD叶栅中的复杂流动情况,分析了叶栅通道中的二次流对三维角区分离流动的影响。结果表明:马蹄涡在压气机叶栅通道中的发展不明显并且在叶栅通道中很快耗散,因此对三维角区分离影响不大;而通道涡是压气机叶栅通道中主要的二次涡,增强了三维角区分离流动现象,增加了气流总压损失。     

弯曲时片压气机时栅内二次流的数值研究

本文应用Ｂｅａｍ－Ｗａｒｍｉｎｇ近似隐式因子分解格式以及ＭＭＬ代数湍流模型,采用拟压缩性方法求解雷诺平均拟压缩Ｎ－Ｓ方程组,对弯曲叶片压气机叶栅内的三维粘性流场进行了数值研究．结果表明,正弯曲叶栅内通道涡较直叶栅强,其诱导产生的壁面涡较弱且位于吸力面与壁端的角区内,与壁角涡接近．在正弯曲叶栅出口处,通道涡开始处于破裂前期,叶栅总损失增加。反弯曲叶栅通道涡较弱,其诱导的壁面涡很强,位于通道涡左上方,壁面涡和通道涡的有利作用,使通道涡更稳定,叶栅总损失比直叶栅和正弯曲叶栅要小．     

非光滑叶片对叶栅流道内通道涡影响的实验研究

在低速平面叶栅风洞中对光滑叶片叶栅及三种非光滑叶片叶栅进行了实验研究,以研究 与光滑叶片相比,非光滑叶片对叶栅流道内通道涡发展变化的影响。实验结果表明,与光滑叶片相 比,非光滑叶片对叶栅流道内的通道涡有明显的影响,通道涡的位置沿节距方向移向流道中心处, 沿叶高方向不变,通道涡的强度有所减弱。分析了非光滑叶片的影响原因。     

大转角透平叶片弯曲形状对叶栅损失增长和分布的影响

对具有大转角的常规直叶片、正弯与反弯叶片的三套大尺寸、低展弦比的矩形叶栅进行了低速风洞实验,详细测量了栅前三个、栅内六个和栅后一个轴向垂直面内的气动参数.实验结果表明,与常规直叶片相比,叶片的反弯曲削弱了马蹄涡和通道涡的强度,并抑制通道涡向叶栅中部发展,从而避免了上、下通道涡的汇合.因此,反弯叶片叶栅中的二次旋涡损失显著降低,流动特性大为改善.     

扩压叶栅端壁角区流动结构和紊流特性

三维激光多普勒测速技术测量了扩压叶栅叶片和端壁相交的角区中的流动结构和紊流特性。实验结果表明,角区中端壁附面层和叶面附面层的堆积使得叶面附面层变厚;角区内存在较强的通道涡,随流动向下游发展,通道涡核心远离叶面;在前缘产生的马蹄涡逐步消失;通道涡使得角区的紊流动能增加,并影响雷诺正应力的分布。     

压气机叶栅壁面拓扑和二次流结构分析

本文从涡动力学原理出发，根据实验测量和流场显示结果，对压气机平面叶机的壁面拓扑和叶栅二次流结构进行了研究．由叶栅壁面拓扑分析和二次流结构可知，叶栅的通道涡较强，出口集中脱落涡和角区分离泡的存在，造成了叶栅两端区较高的二次流损失，并且随叶栅来流冲角的提高，旋涡出现破裂，二次流损失进一步提高．     

吸力面小翼对扩压叶栅旋涡结构的影响

本文采用经过实验校核的数值模拟方法对某压气机动叶原始叶型和吸力面叶尖小翼叶型流道旋涡结构进行了详细分析.结果表明,原始叶栅流道中存在四个旋涡,即上通道涡、下通道涡、下集中脱落涡和叶顶泄漏涡。吸力面叶尖小翼的应用使得叶栅流道内的旋涡结构发生了变化,叶尖小翼抑制了叶顶泄漏涡的强度,从而使得上集中脱落涡得以出现,同时还使得叶顶泄漏涡的衍生涡被撕裂成两个衍生涡.正是由于叶尖小翼改变了叶栅流道内的旋涡结构,使叶栅流场的气动性能得到了改善.     

超高负荷涡轮叶栅内的旋涡结构分析

通过对叶型转折角为160°的超高负荷平面涡轮叶栅内部的流场细节进行数值模拟,将数值模拟结果与流场流线拓扑分析理论相结合,对叶栅内的复杂旋涡结构进行定性分析,详述超高负荷平面涡轮叶栅内马蹄涡、通道涡、壁角涡、尾缘涡和端壁二次涡等涡系的产生、发展和演化过程,以及它们之间的相互作用关系;在此基础上,通过总压损失系数分布和出口截面涡量分布给出定量分析。     

端壁射流控制扩压叶栅内流动的参数研究

以50°折转角扩压叶栅为对象,数值研究了端壁射流参数对栅内分离流动的影响规律。结果表明:端壁射流可以有效减弱扩压叶栅内的流动分离,马赫数为0.23时最高可降低9.5%的总压损失;射流诱导旋涡可以阻止通道涡的横向迁移,并将主流高能流体卷入角区,角区流体动量增加;流向涡的位置与强度对控制效果有较大影响,其合理位置是叶栅前方、靠近吸力面,并且强度应适中以避免过大的掺混损失;在入口高马赫数条件下也取得了良好的效果。     

局部附面层抽吸对高负荷扩压叶栅流动特性影响

在低速条件下实验研究了局部附面层吸除对高负荷扩压叶栅内流动特性的影响。实验对叶栅壁面进行了墨迹流动显示,并采用五孔气动探针测量了叶栅出口截面参数,得到了该截面的二次流速度矢量分布。结果表明,吸力面两端附面层吸除能有效减小角区三维分离、抑制通道涡发展,而在吸力面中部抽吸不能有效抑制角区三维分离流动;在角区分离线起始位置后采用吸力面两端吸气方式时,吸气量越大流动改善的效果越好,其余方案时吸气量变化对流动影响较小。     

纳秒脉冲等离子体激励控制低雷诺数压气机叶栅激波/附面层干扰探索研究

为了揭示等离子体激励调控低雷诺数压气机叶栅激波/附面层干扰的机理,本文选取典型超音速压气机预压缩叶型,利用大涡模拟研究了纳秒脉冲等离子体激励对低雷诺数下超音速压气机叶型附面层流动的调控作用。首先对低雷诺数工况下超音速压气机叶型流动特性和叶栅通道激波系结构进行了研究,以此设计了两种等离子体激励布局。研究发现,位于叶片吸力面和压力面附面层分离点前的等离子体激励均可通过诱导产生畸变团,触发分离剪切层的K-H不稳定并进一步形成展向大涡结构,促进主流与分离区低能流体之间的掺混从而抑制流动分离。同时叶栅通道激波系结构发生改变,分离区形态与通道激波位置相互关联耦合,附面层黏性损失和激波损失占比变化不尽相同。     

通道涡稳定性及对损失的影响

采用具有TVD性质的三队精度Godunov格式,对均匀加载叶型及后部加载叶型所构成的叶栅在不同弯角下的流场进行了数值模拟。详细研究了叶片弯曲后对通道涡截面拓扑结构的影响。发现叶片正弯后有利于使通道涡在结构上变得稳定;同时也指出;与常规叶片相比,二次流损失较小的后部加载叮型所构成的叶栅内的通道涡在结构上较为稳定。本文进一步分析了通道涡结构的改变对损失的影响;并指出使通道涡在结构上变得稳定的边界条件可能有助于减少二次流损失。     

扩压叶栅出口近端壁区域流动结构和紊流特性

用三维激光多普勒测速技术测量了扩压叶栅出口近端壁区域的流动结构和紊流特性。实验结果表明,气流流出扩压叶栅出口后,吸力面和压力面的通道涡将在较长的距离内保持其形态和强度,但是尾迹的形成及尾迹在压力的作用下向吸力面方向的偏斜成为了这一阶段的主要流动现象。通道涡、尾迹和尾迹的运动对亲流量的分布规律具有决定性的影响。随着流体向下游运动,尾迹区内雷诺正应力分量的衰减和扩散均比雷诺切应力快。而通道涡区域紊流量的值则变化不大。     

间隙大小对高负荷压气机叶栅流动特性的影响

在低速平面叶栅风洞中,对不同间隙大小条件下的高负荷压气机叶栅流动特性进行了实验研究。实验采用五孔气动探针测量了叶栅出口截面参数,得到了该截面的二次流速度矢量分布,并对叶栅下端壁和叶片表面进行了墨迹流动显示.结果表明,叶顶间隙的增加加剧了间隙泄漏流动与通道涡的相互作用和掺混,导致叶栅流道内的二次流结构和形态发生改变;增加叶顶间隙可完全抑制吸力面角区分离,但被间隙泄漏流动带走的低能流体被带到尾缘及其下游位置,加剧了相应位置的流动分离;间隙泄漏流动将引起叶栅总损失的显著下降,损失的大小并不一定与间隙大小成正比.     

叶栅非轴对称端壁成型技术的初步研究

本文根据叶栅内部二次流形成和发展的机理,应用级数函数建立了一种非轴对称端壁成型方法.采用三维时均可压缩N-S求解程序,对采用非轴对称端壁造型的某一后加载亚音速直列叶栅进行了数值研究,分析讨论了非轴对称端壁对叶栅内二次流的影响。计算结果显示:非轴对称端壁可有效地抑制和延迟通道中马蹄涡、通道涡的生成和发展,造型后叶栅内二次流损失减少了1%,效率提高了0.73±0.24%.     

具有叶尖小翼的压气机叶栅间隙流动分析

采用数值模拟方法对利用不同安装方式叶尖小翼控制压气机叶栅间隙流动进行研究。结果表明,不同安装方式叶尖小翼都可以有效降低叶顶泄漏流速,削弱泄漏涡强度。叶尖小翼改变了叶尖负荷及泄漏涡运行轨迹,进而影响了叶尖流场不同涡系之间的相互作用。吸力面小翼削弱了泄漏涡,抑制了通道涡的发展,使得叶栅总损失降低。压力面小翼及组合小翼削弱了泄漏涡,但增强了通道涡及其与泄漏涡之间的相互作用,叶栅总损失增加。     

燃气透平叶栅端壁传热特性的数值研究

采用三维数值求解方法,对透平叶栅端壁区域的流动和传热特性进行了研究.利用试验数据考核了相应的数值方法,分析了网格数目和湍流模型对叶栅端壁附近流动传热特性计算的影响,比较了不同进口雷诺数和湍流度条件下端壁传热特性的变化。结果表明;马蹄涡和通道涡等二次流动直接影响端壁区传热,传热强度分布规律基本与当地流动的湍动能保持一致。湍流模型对端壁压力场的计算影响较小,但对端壁传热特性的求解的精度影响较大。采用v~3—f湍流模型能较好地预测端壁传热分布。来流雷诺数和湍流度的变化改变了端壁边界层厚度和涡系结构,使得端壁传热强度和梯度分布发生变化。     

透平叶栅非轴对称端壁的设计与优化

采用NURBS曲面造型方法,在轴对称端壁上叠加径向高度变化量构造非轴对称端壁。采用最优拉丁超立方设计的方法,经过两轮实验设计,寻求性能较优的设计方案。结果分析表明:基于最优拉丁超立方的实验设计方法,定向搜寻透平叶栅的非轴对称端壁优化设计方案,是可行的。与圆柱端壁相比,优化后涡轮叶栅通道出口面积平均二次流动能减小5.48%,总压损失系数减小了1.63%,端壁换热状况局部有改善。非轴对称端壁通过改变端壁的静压分布削弱了涡轮叶栅通道中马蹄涡、通道涡的强度。非轴对称端壁使通道内靠近进口段和出口段端壁换热被削弱,尾迹区换热有所增强。     

端壁翼刀降低叶栅损失机理的实验研究

通过实验研究和拓扑分析的方法,分析了安装端壁翼刀后的压气机叶栅内流场的旋涡结构和演化过程.结果表明,安装翼刀后,在翼刀的安装位置产生了一对方向相反的旋涡,通道涡的强度减弱;马蹄涡的吸力面分支与叶栅吸力面相交的位置向下游推移,沿叶高向叶片中部流动的范围缩短,进而叶栅吸力面壁角区的流动得到了改善,降低了叶栅总损失.     

扩压叶栅端壁角区流向涡对湍流特性的影响

本文用三维激光多普勒测速技术测量了平面扩压叶栅的叶片吸力面角区流动湍流特性，如紊流动能分布、雷诺应力分布等．分析了角区内流向涡和通道涡对湍流特性分布的影响，结果表明：流向涡的核心区域及旋涡与附面层相互作用区域的湍流动能增加．同时，旋涡和旋涡运动强烈影响着雷诺正应力和切应力的分布规律．