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．     

非轴对称端壁改善涡轮叶栅流场研究

以Pack B涡轮平面叶栅为研究对象,采用非轴对称端壁造型方法,以减少涡轮叶栅总压损失为优化目标,进行了涡轮叶栅的非轴对称端壁优化设计,优化后的总压损失减小了11.83%。通过对叶栅的下端壁以及上下端壁进行非轴对称造型并与原型光壁模型进行全叶高流场对比分析表明:非轴对称造型对几乎全叶高的总压损失分布产生影响,大幅减小了20%和80%叶高附近的总压损失,对气流角和下游涡强度的影响局限在近造型壁面侧的30%叶高内。     

涡轮叶栅端壁区非定常流场显示

用氢气泡法流场显示技术,获得了不同攻角、不同径向间隙下涡轮平面叶栅端壁区内各种旋涡的发生、发展、涡－涡干涉、涡－附面层干涉的非定常流动图画,加深对涡轮端壁区流动结构的认识。     

扩压叶栅二维流动分离的数值模拟

通过数值模拟,研究了二维扩压叶栅内流动分离及涡脱落的特征.定常计算结果表明:随着叶片负荷的增加,流场中奇点数目明显增加.非定常计算结果表明;在二维扩压流场中存在尾缘脱落涡和吸力面脱落涡两种脱落涡,它们的脱落频率随着冲角和马赫数的变化而变化.     

基于水滴型前缘修型的超高负荷低压涡轮流动调控机理研究

本文以某超高负荷低压涡轮叶栅(载荷系数Zweifel=1.57)为研究对象,借助经过实验数据校核的高精度数值方法,采用拉丁超立方分层抽样技术参数化探究了不同水滴型弧状前缘几何对端区流动损失的影响。在此基础上,明晰了前缘修型结构引入前后端区流动特征及流动损失变化机理,对比了叶栅端区涡系结构尺度。研究表明：优选水滴型弧状前缘修型结构削弱了前缘马蹄涡强度,重构了超高负荷低压涡轮叶栅的端区涡系结构,使得栅后总压损失系数降低4.11%。研究结果为超高负荷低压涡轮端区流动控制技术的发展提供了理论支撑。     

平面叶栅端壁流的试验研究

本文对平面叶栅通道内、外的流场进行了详细的试验研究。结果表明:叶栅通道内不仅存在通道涡,而且在吸力面与端壁形成的角区内存在一角区脱落涡对和一二次涡对。这些涡对特性不同于通道涡特性。在本试验条件下它们是引起叶栅通道内损失的主要原因。     

带翼型围带涡轮叶栅冲角适应性的实验与数值研究

针对一新型翼型围带结构,通过数值计算验证其相对于全周小翼结构在改善涡轮叶栅气动性能的优势。在此基础上,结合实验与数值模拟分析了带此翼型围带涡轮叶栅的冲角适应能力。结果表明,翼型围带可在全周小翼基础上进一步削弱泄漏涡与通道涡强度,使涡轮叶栅下游流场更为均匀;冲角变化主要影响叶片表面前半部分的静压系数,冲角增加,中径与近叶顶区域的横向压差增大,导致通道涡强度增加;由于冲角变化对泄漏涡生成发展的通道后部区域的静压改变不大,所以泄漏涡对冲角的敏感性不强;基于负冲角可改善涡轮叶栅气动性能的结果,文章最后对多组大负冲角下的叶栅性能做了数值研究,发现冲角小于一定值时,压力面流体分离严重,导致-80°冲角的总压损失甚至高于+10°冲角。     

高负荷弯曲扩压叶栅中旋涡流动的研究

在不同冲角下,采用五孔探针对三种大弯角压气机叶栅流场进行了详细测量,并利用数值模拟研究了流动分离和旋涡结构对弯叶栅气动性能影响.结果表明,叶栅流道内旋涡由多涡结构向单一涡结构转变的趋势明显,叶片正弯曲加强了近吸力面涡系径向掺混作用;高负荷压气机叶栅中采用正弯叶片,必须抑制中部流动恶化.     

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。     

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.     

有周向倾斜叶片的压气机叶栅的实验研究

本文对具有常规直叶片和周向倾斜25°叶片的压气机平面叶栅进行了吹风实验,叶片叶型是NACA 65系列的大转角叶型。还应用墨迹法进行流场显示,从出口测量结果和流场显示照片可见:叶片正倾斜可以消除压气机叶栅的壁角失速,叶片负倾斜却使壁角失速加大。同时本文还从涡动力学角度分析了消除壁角失速及减少损失的机理。     

气热耦合多孔气膜冷却流动的数值研究

对具有气膜冷却的某涡轮叶栅,提取中部截面型线进行了平面叶栅的气热耦合数值模拟,研究了多孔射流气膜冷却流动的特点.主流与固壁气流耦合计算表明,冷却气流在冷却腔内的流动过程中,被固体壁面加热,在喷射入主流场之前温度升高幅度较大,使得沿程后部的冷却效果减弱,同时研究了多射流孔附近区域三维定常流动的流场.     

不同负冲角工况下透平叶栅二次流的数值模拟及分析

本文应用TVD格式和Baldwin－Lomax代数紊流模型求解三维NS方程，对一个透平直列叶栅流场在两个不同的负冲角工况下进行了数值模拟，给出了叶栅马蹄涡及其分离鞍点、通道涡、角涡等二次流涡系的结构及其产生发展过程，并对不同工况下的涡系结构及冲角的影响作了详细的分析和比较．本文结果有助于对叶栅二次流涡系结构的产生发展机制的深入了解，同时表明所用数值求解技术有较高的精度和分辨率。     

变马赫数涡轮平面叶栅流场的实验研究

本文研究分析了三套涡轮平面叶栅设计攻角下变出口等熵马赫数时的气动性能,给出了三套涡轮叶栅设计攻角下的临界马赫数;阐述了叶栅出口总压恢复系数、能量损失系数、负荷系数及进口马赫数随出口等熵马赫数的变化规律;分析了叶片表面和叶栅端壁静压系数及等熵马赫数的分布情况。结果表明,三套叶栅所采用的叶型具有后部加载特性,具有较好的气动性能;叶栅出口能量损失系数随出口等熵马赫数的变化呈现出先减小后增大的变化规律。     

基于高精度WENO格式的平面叶栅内流大涡模拟

基于5阶WENO格式结合AUSM+-up通量分裂方法编制密度基有限差分数值计算程序,并对NACA 65平面叶栅在不可压和亚音速工况下的流动进行三维大涡模拟研究,计算所得翼型表面时均压力系数分布与文献中实验结果符合较好,使数值算法和计算程序的可用性得到验证。大涡模拟获得了叶栅流道内瞬态流场的细节特征,体现了高分辨率格式捕捉精细流动结构的能力。本文工作为针对叶轮机械复杂可压缩内流问题进行更深入的高精度LES研究奠定了基础。     

高负荷扩压平面叶栅进口均匀性分析及改进

通过对典型平面叶栅风洞试验段的数值模拟研究了不同来流攻角和不同来流马赫数下某高负荷扩压叶栅进口周向流场的均匀性,分析了影响叶栅进口流场均匀性的主要原因,研究了改变叶栅上壁面形状对于叶栅进口均匀性的改善效果.数值结果表明:向上游倾斜的扩压平面叶栅固有结构决定了栅前周向流场的不均匀分布;随着来流攻角增大,叶栅上侧壁的通道堵塞程度增大,导致栅前速度场和方向场的不均匀性增大,来流攻角和设定值的最大偏差超过5°;通过减小叶栅上侧壁的弯曲程度可以有效提升栅前流场的均匀程度和范围,使来流攻角和设定值的最大偏差减小至2°.     

变工况非定常叶栅绕流数值仿真

采用离散涡方法数值仿真了不同来流攻角下,固定与动边界叶栅绕流。在设计工况时流动接近定常流动。而变 工况时流动具有明显的非定常特征。特别是当攻角较大时,流场中存在着激烈分离,流动具有不稳定性。分离流动与旋涡 的分布息息相关。当来流角从20°到60°逐渐增大时,前驻点从背面经前缘点向腹面移动。固定叶栅与振动叶栅时的绕流 有明显的不同。振动叶栅绕流,流体决不是简单地随叶栅作同样的振动。     

DES模型在压气机亚音转子中的应用探讨

本文运用分离涡模拟(DES)方法研究了不同工况下压气机亚音转子的流动情况,分析了其时均与瞬时流场中顶部间隙泄漏流动和根部角区的流动分离.通过与S-A模型计算结果的对比表明,DES模型在模拟顶部泄漏流动及二次泄漏、泄漏流在转子下游与尾迹的干涉时能够捕捉到更强的旋涡结构,在模拟转子根部角区的分离时也能获得更为丰富的流动现象.对不同工况的DES计算表明负荷的上升会使泄漏涡形成的位置向上游移动,从而导致并加剧二次流动,并对叶栅下游泄漏涡与尾迹的干涉产生影响.对设计工况下瞬时流场的分析表明,泄漏涡在叶栅下游体现出周期性的强弱变化,近叶根分离区也体现出明显的非定常性.     

叶顶布置蜂窝的涡轮平面叶栅间隙泄漏流动研究

本文提出一种将蜂窝结构直接布置在涡轮动叶顶部的抑制涡轮径向间隙泄漏流动新措旌,数值研究了有/无蜂窝叶对涡轮平面叶栅间隙泄漏流场的影响。结果表明,蜂窝叶顶使得进入蜂窝腔的间隙流体形成旋涡运动,对间隙流具有能量耗散的作用,形成的径向射流类似于"气动栅栏",增加间隙内流体的运动阻力,进而对间隙泄漏流产生有效的抑制效果。与常规无蜂窝平顶叶栅相比,蜂窝叶顶叶栅的相对泄漏流量减低了约10%,形成的泄漏涡尺寸减小,叶栅出口下游总损失降低了4%。     

某型低压涡轮导向器叶栅改型实验研究

实验研究了不同冲角下子午流道具有较大扩张角的某型低压涡轮导向器原型和改型叶栅的气动性能。结果表明,通过改变端壁型线扩张规律及三维叶型积迭线,改型叶片表面静压分布更加合理,叶栅的流动损失显著减小,流场结构得到明显改善,叶栅气动性能的提高表明改型是成功而且有效的。