轴流风扇叶片端导叶作用的研究

本文采用数值方法研究了叶片端导叶对轴流风扇性能的影响。通过与普通开式轴流风扇比较,分析了叶片端导叶对内部流动作用的机理.数值计算结果表明:叶片端导叶的安装位置将影响轴流风扇气动效率,安装叶片端导叶不能提高风扇静压升,但是在压力面安装时能有效地减小风扇叶顶泄漏流与主流的掺混损失;在设计流量下,压力面安装叶片端导叶使泄漏涡的作用范围较小,涡核更靠近吸力面;吸力面安装叶片端导叶弱化了泄漏涡的强度但没有减小泄漏涡的作用范围。     

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.     

Wells透平失速特性及微圆柱流动控制研究

振荡水柱装置作为海浪能转换的重要手段,其转换能力受Wells透平失速特性的限制。本文以带有NACA 0015叶型的单排Wells透平为研究对象,讨论了叶片前缘展向微圆柱参数在稳定入流下对透平性能的影响,揭示了微圆柱对透平失速特性和损失的作用机制。结果表明,微圆柱的尾迹增强了转子吸力面侧边界层内湍流强度和动量混合,有效地抑制了尾缘轮毂附近的初始分离。同时,叶顶间隙泄漏涡强度减小,削弱了叶顶泄漏流与吸力面侧流动的相互作用。随着圆柱半径增大,其尾迹涡涡量增大,能够进一步抑制流动分离,但圆柱尾迹耗散损失增大,导致透平效率进一步降低。当圆柱距前缘为10%C (叶片弦长),圆柱半径为1%C时,峰值扭矩系数提高26.57%,对应流量系数增大19.15%。     

可调导叶向心涡轮转子叶片压力波动激励机制

论文以实际应用中出现破裂的向心涡轮为研究对象,研究导流叶片尾缘激波、导流叶片叶尖间隙泄漏流动以及导流叶片尾迹对转子叶片表面压力波动的干涉作用,定性确定这三种因素在转子叶片表面压力波动中所占比重大小,发现激波和导流叶片叶尖间隙泄漏流动所诱导的转子叶片压力波动位置。结果表明,激波和导流叶片叶尖间隙泄漏流动是导致转子叶片表面压力波动的主要因素;受向心涡轮叶轮进口形状的影响,激波只是和转子叶片前缘附近的吸力面发生作用,导流叶片开度减小,激波强度增大,转子叶片压力波动幅值明显增大;导流叶片叶尖和叶根间隙泄漏流动会导致转子叶片吸力面叶尖和叶根的压力波动明显增大,是转子叶片前缘叶尖发生高周疲劳的主要原因.     

基于Kriging代理模型的DBD等离子体控制叶顶泄漏流动研究

本文采用数值方法研究了布置于涡轮动叶叶顶的多个等离子体激励器组合对间隙泄漏流动的影响。结果表明:不同的极板数目和位置组合对间隙泄漏流量有着十分明显的影响。在叶顶沿吸力边布置等离子体激励器的最佳位置在大约55%S/Sps处,布置相同数目的等离子体激励器,在靠近尾缘处的控制效果要远好于在前缘附近的控制效果;等离子体激励器在叶顶靠近吸力边处产生诱导涡,阻碍了间隙内流体的流动,使泄漏流体的速度降低。同时还会使得分离泡的破碎提前,有利于减小掺混损失;对泄漏流动的控制效果不会随着等离子体极板数增加而持续增强,而存在一定限度,最优布置方式的泄漏流量较原型下降约46%,相应的出口截面能量损失下降了15.7%。     

吸力面小翼对扩压叶栅间隙泄漏的影响

采用数值模拟方法对利用吸力面小翼方式控制压气机叶栅间隙流动进行研究。结果表明,附加吸力面小翼可以降低叶顶泄漏流速,削弱泄漏涡强度,使得泄漏涡区损失降低。不同宽度吸力面小翼在不同间隙下部可以较好地减少叶尖泄漏,在叶顶间隙为3.3%叶高时,附加相对宽度为0.5的吸力面小翼可使损失降低4.7%。叶顶压差的降低及对泄漏涡结构的改变是吸力面小翼降低泄漏掺混损失的主要原因。     

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。     

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。     

低速轴流涡轮内部流动的大涡模拟

在低进口雷诺数下,低速轴流涡轮内部可能存在复杂的边界层转捩和分离流动。准确模拟边界层转捩和流动分离对低速轴流涡轮的气动设计具有重要意义。本文以某单级低速轴流涡轮为研究对象,采用大涡模拟方法对其在进口雷诺数为20000情况下的内部流动进行了数值模拟研究,并与前期采用全层流模型、S-A模型、Abu-GhannamShaw(AGS)转捩模型的模拟结果进行了对比,对比分析发现,大涡模拟结果与实验结果吻合更好,可以准确模拟该涡轮叶片吸力面的流动分离和叶片通道内的二次流动。由大涡模拟结果可以得出,静叶尾迹和分离使尾迹区的流体流动速度降低,但尾迹对流动角的影响较小。动叶入口低速微团在做周向运动的同时沿径向运动;高速微团主要沿周向运动。静叶叶片表面的分离流存在较大的由叶顶向叶根的径向的运动;动叶吸力面叶顶处也存在较大的分离流动.     

吸力面负曲率的渐缩流道跨音速涡轮叶栅流场与性能研究

为了降低高负荷跨音速涡轮叶片流动损失,本文提出了一种在吸力面无遮盖段存在内凹型线的渐缩流道跨音速涡轮新叶型。新叶型可通过改进常规跨音速涡轮的叶型得到。数值模拟结果表明采用新叶型的平面叶栅与原叶型的相比总压损失系数降低了29.7%。通过分析新叶型的几何特征及其激波、膨胀波与压缩波的特点,揭示了新叶型使损失降低的内部流动机理。新叶型不仅能够减少气动损失,而且能够降低叶片排气的周向不均性,减小对下游叶片排边界层的非定常影响。     

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。     

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。     

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.     

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.     

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。     

可调向心涡轮后加载型导叶设计和数值研究

针对某可调向心涡轮导叶段存在的强激波和端壁泄漏损失,设计了一种后加载特性导叶,并在级环境下进行了研究。首先对比了原模型设计开度下的数值与实验结果,验证了数值模型的有效性,然后进行了将原模型和新模型的定常与非定常计算。结果表明:后加载型导叶在通过降低导叶端壁泄漏涡强度而减小其总压损失的同时可大幅度弱化导叶喉部和尾缘激波强度;导叶间隙泄漏流和尾缘激波的减弱使转子叶片静压波动强度降低,增强了转子叶片的可靠性。     

前缘逆主流喷射冷气时涡轮叶栅流场性能研究

前缘逆主流喷射冷气对壁面静压有明显影响;冷气与主流掺混及卵型涡的形成导致近叶片表面处能量损失增加;吸力面或压力面根部出现与通道涡旋向相同或相反的涡系;卵型涡能够以一定形式保持到叶栅出口并与尾迹作用,使出口处气动参数剧烈变化．     

冷气喷射对缩放型流道涡轮叶栅性能及流场影响的数值研究

本文利用数值模拟方法详细研究了缩放型流道叶栅中从六个不同轴向位置处以不同的质量流量比喷射冷气对叶栅流场性能的影响,对比分析了能量损失系数、叶表静压分布、流道内马赫数分布等,结果表明冷气喷射对叶栅性能的影响和内伸波的影响是不同的。叶栅性能的变化主要是由于冷气喷射导致叶型损失的变化引起的,当冷气从吸力面内伸波作用位置附近及前缘滞止线附近喷射时,冷气与主流的掺混剧烈且持续到叶栅出口处,使得叶栅损失增加;当冷气从压力面和吸力面喉口位置处射流时,叶栅损失减小。在吸力面内伸波反射点附近射流时,由于冷气的滞止作用使得冷气孔前的压力增大,进而减小内伸波前后压差,减弱内伸波强度。     

高负荷压气机叶栅分离与流场结构研究

通过流动显示及静压测量,对不同冲角下、三种叶型弯角的环形压气机直、弯叶栅近壁面区域的流动分离及旋涡结构进行了实验研究.结果表明,近吸力面的气泡分离与转捩取决于叶栅型面静压分布;随叶栅负荷增大,流动分离形式由闭式分离逐渐向开式分离发展,流动分离的对称性逐渐减弱;减少涡系与涡系、涡系与附面层之间的相互作用及掺混可以有效拓宽正弯叶片的应用范围.     

轴流压气机小流量状态转子叶尖泄漏涡的三维流动

用三维激光多普勒测速系统测量了低速大尺寸单级压气机小流量状态转子内尖区三维紊流流场。小流量状态下叶尖泄漏涡产生于更靠近转子叶片前缘,旋涡强度大,发展迅速,在转子内距离前缘约２０％轴向弦长的截面达到最强,在８０％轴向弦长附近发生破裂。泄漏涡是造成转子内尖区流动阻塞和紊流脉动的主要因素之一。在约７５％弦长的轴向截面,吸力面角区发生旋涡流动,造成较强的流动阻塞和紊流脉动。