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.     

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.     

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。     

超高负荷跨音速涡轮的设计与性能分析研究

为了通过增加涡轮级负荷减少级数给涡轮减重,本文开展了单级压比为5的高负荷跨音速涡轮的基本分析和初步设计。研究结果表明,基于常规涡轮设计体系,辅以超高负荷涡轮参数选取以及跨音速涡轮叶片造型方法,进行超高负荷跨音速涡轮的设计,能取得满意效果。在设计工况下,涡轮的级效率达90.3%,且变工况性能相对较好,所设计涡轮基本能达到...     

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。     

低压高负荷涡轮叶栅的大涡模拟

了解预测转捩与层流分离泡,对于低压高负荷叶片设计特别重要.为此,采用大涡模拟方法,对典型高负荷叶栅T106进行了模拟.计算描述了层流分离泡,给出了壁面压力、壁面摩擦力系数的分布,从而准确预测了T106压力面上的层流分离、转捩、湍流再附现象.计算同时刻画了层流分离泡的非定常性质,给出了瞬时压力,进行了频谱分析,确定主频为2500 Hz,并观察到了瞬时涡等有意义的现象.计算同时表明二维大涡模拟计算结果可以复现出湍流的许多重要现象并且精度可以满足工程需要.     

涡轮叶栅流动分离涡模拟验证研究

本文采用DDES模型分析透平叶栅内部亚音速和跨音速流动。DDES模型能有效且较精确地计算亚音速流动,但计算跨音速流动时,出现修正函数f_d保护边界层功能失效的问题,极大地降低了计算精度;人为设定RANS和LES计算域,保证边界层完全被RANS计算域覆盖,计算结果得到很大改善。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

超高负荷串列转子尖部流场结构的实验和数值研究

串列转子尖部存在着前/后叶叶尖泄漏流以及前叶尾迹等流动,流动结构较为复杂,准确判断这几股流动之间的相互作用成为分析流场的关键。本文分别通过实验和数值模拟方法对基于北京航空航天大学低速大尺寸单级压气机试验台设计的一套超高负荷串列转子尖部流场进行了研究。研究结果表明：对于本文所研究的高负荷串列转子,无论是在设计点还是近失速点,前叶叶尖泄漏涡在前叶出口时都已经到达前叶压力面附近,随后紧贴后叶吸力面从喉道进入后叶通道,在喉道内顺压梯度的作用下,前叶叶尖泄漏涡的旋涡特性增强,并在后叶通道内将相对较弱的后叶叶尖泄漏涡吞并;相对于常规布局转子,由于在前后叶喉道顺压梯度的作用下,串列转子内叶尖泄漏涡的稳定发展阶段都有所延长,这有利于减小叶尖泄漏涡造成的转子尖部流动堵塞。     

高负荷压气机叶栅的叶身/端壁融合研究

叶身/端壁融合(BBEW)是有潜力支撑风扇/压气机负荷最大化的原创技术.本文以大折转亚音叶栅和超音速叶栅两类趋向负荷极限叶栅为案例,在二面角原理指导下,采用数值方法对比研究了第一类(增大二面角型)和第二类(变曲率过渡曲面)BBEW改型。结果表明,两类BBEW改型均能有效削弱或消除高负荷压气机叶栅角区分离,且具有良好的工况适应性。其中,第一类BBEW改型虽外形上类似叶片倾斜,但作用机理却截然不同,附面层交汇作用超过叶片力作用.     

间隙高度对涡轮叶顶间隙流动的影响

叶顶间隙流动是导致涡轮动叶中产生流动损失的主要原因之一.对某动力涡轮第一级内三维流动的数值计算结果表明,流体在经过动叶叶顶间隙以后在约25%叶顶轴向弦长处(τ=3mm)在叶顶与吸力边夹角处卷起形成间隙涡,造成流动阻塞,同时在间隙内叶片顶部10%叶顶轴向弦长处(τ=3mm)开始在压力边出现叶顶分离涡,使得间隙流动损失增加.随着间隙高度增大,通过间隙的流量增加,间隙涡形成位置后移,间隙涡、叶顶分离涡尺寸变大,在流道内影响范围增大,导致流动损失变大.     

端壁凹槽控制扩压叶栅角区分离的数值研究

为揭示端壁凹槽控制高速扩压叶栅角区分离、降低叶栅气动损失的物理机制,采用数值方法研究了高速扩压叶栅NACA65-K48附加具有不同轴向位置和横向长度的端壁凹槽时叶栅的流场结构和气动特性.结果 表明:叶栅出口总压损失系数最大降低8.08％,静压升约提高0.67％.近端壁气流在凹槽内部诱导出复杂旋涡结构,该旋涡结构反过来为...     

无叶扩压器离心式压气机内旋涡运动的数值研究

本文的目的是用数值计算方法来研究离心式压气机叶轮内的旋涡运动。所用的数值方法是在工程热物理所发展的时间相关有限体积法．在流场计算的基础上,应用速度矢量、微团的面积和体积示踪、旋度和熵增等后处理程序与方法来研究与显示旋涡运动的存在与发展．文中用这些手段研究了离心式叶轮中的各类旋涡并给出了拓扑图,对于二次流动还给出了它的模型．     

非定常尾迹控制叶栅分离研究

本文采用大涡模拟对某大转角叶栅的非定常分离流动及其在非定常尾迹作用下的分离控制机理进行了数值分析。主要捕捉了两个特征频率:分离泡不稳定频率f_shear和尾缘脱落涡频率f_shed,研究了不同的激励频率、尾迹移动方向、随机脉动等激励特征控制流动分离的效果。结果显示:特定外部频率强化了分离剪切层中的K-H展向涡结构,f_shed能同时影响分离区域和尾涡区域,f_shear只能作用于分离区域;尾迹从吸力面向压力面移动时,分离结构表现出对来流周期性更明显的响应;进口随机脉动对破坏K-H展向涡结构非常有效。     

非定常激励抑制轴流叶栅分离的数值分析

本文对大转角压气机叶栅大攻角工况在来流尾迹非定常激励作用下的时空结构进行了数值分析.合理的非定常激励明显提升了叶栅的时均性能,与激励频率对应的涡结构得到强化,其它频率的杂涡被卷吸,无序的吸力面分离流结构变得有序.文中分析了周期性来流尾迹控制分离结构的作用机理,波涡共振促进涡的卷起和配对;湍动能强化动量交换.基于此,比较了两种来流尾迹模式下分离结构对来流周期性的响应问题.另外,针对管道风扇引起的远场噪声,在来流尾迹非定常激励作用下对其降低的可能性进行了设想.