高负荷压气机叶栅分离结构及其等离子体流动控制

 为揭示高负荷压气机叶栅内部流动损失的产生机理和分布规律以及等离子体气动激励的作用机制,利用拓扑分析和数值计算方法,从计算模型的建立与验证、基准流场的分离结构和等离子体流动控制3个方面展开研究;对总压损失系数分布、拓扑结构和表面流谱与空间流线分布以及旋涡结构进行分析,并开展了激励方式的优化分析.结果表明:随着攻角的增大,固壁面拓扑结构增加了3对奇点,吸力面流向激励改变了固壁面拓扑结构.当攻角为2°时,在吸力面拓扑结构中产生了一对奇点,打断了角区分离线,并引入了一条回流再附线.叶栅流道内部有5个主要涡系,尾缘径向对涡促进流体的展向流动,并成为吸力面倒流的主要组成部分;角涡是一个独立的涡系,其强度和尺度不受等离子体气动激励的影响.吸力面流向激励可以改善叶中流场,但对角区流动作用很小;端壁横向激励可以降低角区流动损失,对叶中流场作用有限;吸力面流向与端壁横向组合激励在整个叶高范围内均可以显著抑制流动分离;端壁横向流动对角区流动分离结构的影响大于吸力面附面层的分离.吸力面流向激励的优化明显降低,而端壁横向激励和组合激励的优化保持并增强了等离子体流动的控制效果.     

等离子体气动激励抑制压气机叶栅角区流动分离的仿真与实验

进行了等离子体气动激励抑制低速压气机叶栅角区流动分离的数值仿真研究,并进行了实验验证.小攻角情况下,叶片吸力面角区流动分离导致显著的尾迹总压损失.来流速度为50 m/s(雷诺数为223 000)时,等离子体气动激励可以有效的抑制角区流动分离,降低总压损失.激励电压、频率分别为10 kV和22 kHz时,50%叶高处的尾迹压力分布基本不变,60%和70%叶高处的最大总压损失分别减小了13.83%和10.74%.增加激励电极组数或激励电压,可以增强抑制效果.      

端壁抽吸位置对压气机叶栅角区分离控制的影响

以某高负荷压气机叶栅为研究对象,应用数值模拟方法探索了叶栅端壁不同抽吸位置对角区流动结构、通道漩涡发展过程以及叶栅性能的影响规律,寻求控制角区分离的可行方法。研究结果表明:在叶栅前缘上游5%C(弦长)位置实施抽吸,延缓了通道涡的形成,但导致叶栅来流攻角发生改变,在角区形成角区分离涡,并且该漩涡与通道涡相互促进,进一步恶化叶栅流场,导致叶栅落后角增大,损失增加;在叶栅通道激波后25%C端壁抽吸,吸除了上游端壁积累的高熵低能气流,制约了通道涡的迅速发展,改善了叶栅通道的流场结构,降低了流动损失,但并未对上游流场产生较大影响,是一种可行的方案。然而25%C处抽吸后,未能完全消除分离,在端部与叶栅通道主流之间存在较高损失区域。     

等离子体激励位置对抑制压气机角区分离效果的影响

为了揭示等离子体气动激励对角区分离的作用效果,应用FLUENT软件数值模拟了等离子体激励器对压气机叶栅角区分离的影响.采用等离子体激励器的简化唯象模型,在压气机叶片吸力面和端壁不同位置沿流向施加激励,对总压损失系数、极限流线、不同截面流动情况进行了比较分析.结果表明:吸力面激励对角区分离改善有限,角区未失速时,近分离点前是激励最佳位置,角区失速后,激励位置越靠前效果越好;端壁流向激励能明显减小角区分离损失,分离点至叶片前缘任何位置施加激励效果一样;组合激励同时减小吸力面边界层和端壁边界层损失,使角区分离消失且不受攻角变化影响.     

变攻角下被动射流旋涡对高速扩压叶栅性能的影响

对被动射流旋涡(PJV)控制高速扩压叶栅内的流动分离控制展开数值研究,并探究其在变工况条件下的适应特性。结果表明,PJV在设计攻角下可使叶栅总压损失系数降低5.2%,变攻角条件下的损失降低幅度最高可达7.8%,表明其具有较高的控制效率和良好的变工况适应特性。随着攻角的增大,吸力面分离位置提前,射流出口与分离区间的距离减小,PJV能够更为有效地促进附面层内低能流体与主流间的动量交换,使得壁面涡结构得到重新组织,并进一步影响通道涡、集中脱落涡等涡系结构的发展,从而推迟流动分离、减小损失。在综合考虑变攻角流场特性的前提下,应使PJV的作用位置位于分离区上游不远处,所研究的最佳射流位置位于叶片前缘上游40%轴向弦长处。      

涡轮平面叶栅端壁附近的流动和损失

用五孔针对涡轮导向叶栅流场作了详细测量,着重研究了端壁附近的三维流动,分析了叶栅中的二次流现象和流动损失机理。在实验中清楚地探测到了通道涡和马蹄涡的两个分支。实验发现通道涡主宰了整个二次流流场,马蹄涡吸力面分支在与通道涡的相互作用过程中强度逐渐减弱直至消失。在０．６２Ｃｘ截面及其下游截面的吸力面附近,还发现了一个显著的低速高损失核,该核在吸力面上向上爬升并一直延续到叶栅下游。     

基于能量耗散率的低速扩压叶栅损失研究

针对无化学反应和热流输入的叶栅有黏不可压流模型,推导出能量耗散率的组分分解式,根据叶栅流场仿真结果进行分析简化,得到由轴向涡量、轴向阻力和剪切力组成的能量耗散率分解式。结合总压损失,分析了耗散各组分在前缘损失、叶表损失和通道损失中的主导因素:轴向涡量项反映旋涡结构,在通道损失中占主要部分,集中在通道涡和分离面附近;轴向阻力项反映扩压和叶表边界层转折造成的流动损失,在前缘损失和叶表损失中占主要部分,集中在叶栅前部的叶表边界层和主流区;剪切力项反映轴向截面速度不均匀性,在叶栅后部的叶表损失和通道损失中占主要部分,集中在叶表、端壁边界层和分离面附近。旋涡结构和耗散各组分分布特征揭示了叶栅通道中旋涡结构与能量耗散之间的分布关系,分离区并不是主要能量耗散区,高能量耗散区主要分布在叶表边界层(叶栅前部由轴向阻力项主导,后部由剪切力项中的υ(∂V_x/∂y)²项主导)、分离面附近(受剪切力项中的υ(∂V_x/∂y)²项和轴向涡量项影响)。大攻角情况下,叶栅通道损失显著增加,正攻角促使轴向涡量项的增长点提前,负攻角则使得叶表边界层的速度剪切加剧。     

扩压叶栅端壁区旋涡流动显示研究

通过氢气泡流动显示,获取不同攻角、不同径向间隙下扩压叶栅端壁区内各种旋涡的发生、发展、涡-涡、涡-附面层干涉的流动图画。      

涡轮叶栅端壁区流动的实验研究

本文在大尺寸低速开式叶栅传热风洞中对一种高压涡轮导向叶栅中的流场进行了实验研究。采用五孔针对5个雷诺数下的叶栅端壁区三维流场进行了测量,并用线簇和小球浮动法对5个工况的流动进行了流场显示。实验结果表明:马蹄涡压力面分支在向吸力面运动的过程中,破坏了来流附面层的结构,在马蹄涡压力面分支之后,叶栅通道中产生了一个新的从压力面到吸力面的新附面层,新附面层的厚度小于来流附面层厚度;三维流动区约占叶栅通道的40%;雷诺数的增大将增强端壁区的三维流动。从流场显示图片可以观测叶片吸力面靠近端壁的角涡形成与发展,以及吸力面上的三角形区域;流场显示的通道涡大小与流场测量结果吻合。本文的实验结果有助于分析端壁表面和叶片表面换热特性的形成机理。      

Experimental investigation on a high subsonic compressor cascade flow

With the aim of deepening the understanding of high-speed compressor cascade flow,this paper reports an experimental study on NACA-65 K48 compressor cascade with high subsonic inlet flow.With the increase of passage pressurizing ability, endwall boundary layer behavior is deteriorated, and the transition zone is extended from suction surface to the endwall as the adverse pressure gradient increases.Cross flow from endwall to midspan, mixing of corner boundary layer and the main stream, and reversal flow on the suction surface are caused by corner separation vortex structures.Passage vortex is the main corner separation vortex.During its movement downstream, the size grows bigger while the rotating direction changes, forming a limiting circle.With higher incidence, corner separation is further deteriorated, leading to higher flow loss.Meanwhile, corner separation structure, flow mixing characteristics and flow loss distribution vary a lot with the change of incidence.Compared with low aspect-ratio model, corner separation of high aspect-ratio model moves away from the endwall and is more sufficiently developed downstream the cascade.Results obtained present details of high-speed compressor cascade flow,which is rare in the relating research fields and is beneficial to mechanism analysis, aerodynamic optimization and flow control design.     

直孔射流对压气机叶栅流场影响的实验研究

为了探究直孔射流对压气机叶栅的影响,通过实验方法,结合流场显示技术和流场测试技术,对无控叶栅和直孔射流方案下的压气机平面叶栅在正攻角下的流场结构和气动性能进行了分析。结果表明:无控叶栅中吸力面存在三个螺旋点,而不同射流方案下螺旋点的数量和位置变化明显;无控叶栅端壁存在一个从吸力面起始的分离区,布置射流孔后,在射流孔前发展出马蹄涡,马蹄涡的两个分支的发展情况及其对流场影响随着不同射流方案呈现出不同的特点;射流孔的位置对控制效果有明显的影响,最佳方案减小了3.2%的总压损失,增大了1.86%的通流流量;在最佳方案下,吸力面螺旋点数量减少到了1个,端壁没有明显的尾迹出现,出口处高损失区的欠偏转和端区的过偏转均有所减弱。     

启动过程压缩空气储能向心涡轮三维流动特性研究

为研究压缩空气储能系统的向心涡轮启动过程内部流动损失特性，本文采用全三维计算流体动力学（CFD）模型对其启动过程过程进行了数值模拟，与实验结果对比表明，虽然该模型在启动初始阶段与转速稳定阶段存在一定误差，但仍能够整体上反映启动过程的效率变化特征。在此基础上，进一步分析了启动过程中动叶通道内损失区及流场变化特征，结果发现，动叶进口攻角是影响内部流场主要因素：在启动初始阶段，叶轮进口攻角较大，动叶载荷集中在叶片前缘，形成明显的通道分离涡与前缘涡；在快速启动段，攻角减小，动叶载荷沿弦长分布更为均匀，通道分离涡及前缘涡逐渐减小并向叶片吸力面迁移。在整个启动阶段，动叶通道内高损失区也随着通道分离涡逐渐迁移且变小，并向相邻叶片吸力面集中。     

间隙变化对压气机静叶叶栅气动性能的影响

利用压气机平面叶栅试验,在大负攻角工况、设计工况和角区失速工况下,研究间隙变化对叶栅气动性能的影响,并分析内部流动变化与气动性能变化的关联。试验结果表明,不同工况下间隙变化对流场结构的影响不同,因而对叶栅性能的影响规律也不同。大负攻角工况下,不同间隙叶栅内在压力面前缘附近都存在一对由端壁向叶展中部发展的分离涡,间隙增大可以使叶栅总损失近似线性减小,并使间隙侧气流折转能力略微提升。设计工况下,无间隙侧吸力面角区存在轻微的角区分离,小间隙（0.2%展长）的引入首先会加剧间隙侧角区分离,当间隙进一步增大时,角区分离消失并形成泄漏涡结构。叶栅总损失随间隙增大呈先增大后减小再增加的趋势,角区分离的消除有助于提高间隙侧气流折转能力。角区失速工况下,间隙的引入可以削弱并移除间隙侧角区失速结构,从而使叶栅总损失下降,并在0.5%展长间隙时达到最小值,同时间隙侧气流折转能力得到增强。当间隙进一步增大时,叶栅损失变化不大。在间隙变化过程中,两侧端部流动结构产生相互影响,使两侧流场性能变化呈相反趋势。通过对比全工况范围内的气动性能,叶栅在选取0.5%展长间隙时整体性能最优。     

单转子轴流压气机不同状态下进出口三维时均流场

用圆锥四孔高频压力探针测量了单转子轴流压气机不同流量状态下, 转子进出口三维时均流场。结果表明, 压气机转子进口流动沿周向呈现较强的周期性变化, 尤其在近失速状态, 叶片压力面侧总压和静压高, 吸力面侧总压和静压低, 而前缘附近轴向速度低、相对气流角大。      

离心压气机转子内近端壁区三维紊流流场

用三维激光多普勒测速系统测量研究了一个离心压气机转子近端壁区三维紊流流场。结果表明,整个叶片通道内叶背角区存在角涡及其伴随涡,叶盆角区存在前缘马蹄涡的叶盆分支,它们的发展、演化较大地影响着附近区域的流动,是造成了所在区域流动阻塞和气流脉动的主要因素。前缘马蹄涡叶背分支沿下游逐渐向叶盆方向发展,与端壁附面层和主流的进一步掺混,并在约 1 /2叶片通道处的叶盆角区与前缘马蹄涡的叶盆分支发生交混,在下游造成一定强度的流动阻塞和紊流脉动带。      

A combined application of micro-vortex generator and boundary layer suction in a high-load compressor cascade

In the current study, the effects of a combined application between micro-vortex generator and boundary layer suction on the flow characteristics of a high-load compressor cascade are investigated. The micro-vortex generator with a special configuration and the longitudinal suction slot are adopted. The calculated results show that a reverse flow region, which is considered the main reason for occurring stall at 7.9° incidence, grows and collapses rapidly near the leading edge and leads to two critical points occurring on the end-wall with the increasing incidence in the baseline. As the micro-vortex generator is introduced in the baseline cascade, the corner separation is switched to a trailing edge separation by the thrust from the induced vortex. Meanwhile, the occurrence of failure is delayed due to the mixed low energy fluid and main flow. The synergistic effects between the micro-vortex generator and the boundary layer suction on the performance of the cascade are superior to the baseline at all the incidence conditions before the occurrence of failure, and the sudden deterioration of the cascade occurs at 10.3° incidence. The optimal results show that the farther upstream suction position, the lower total pressure loss of the cascade with vortex generator at the near stall condition. Moreover, the induced vortex with a leg can migrate the accumulated low energy fluid backward to delay the occurrence of stall.     

吸力面上气膜冷却对涡轮叶栅流场影响的实验研究

利用气动探针测量和墨迹显示方法,对不同实验方案下,带吸力面气膜冷却的某型涡轮导向器叶栅流场结构进行了实验研究。结果表明,冷气射流与燃气主流的掺混以及卵型涡的形成,使得吸力面根部出现了与通道涡旋向相反的涡系;卵型涡始终以一定形式存在于叶片表面,直到叶栅出口与尾迹相互作用后才达到均匀状态;冷气射流很难进入到通道涡分离线与端壁所形成的三角形区域中,通道涡分离线明显向端壁方向下移。      

具有叶顶间隙的涡轮正弯叶栅流场的拓扑与旋涡结构

为进一步揭示在具有间隙的涡轮叶栅中叶片正弯降低泄漏损失的机理,采用微型束状与球头五孔测针详细测量了直叶栅和正弯叶栅间隙内和诸横截面流场听气动参数,并对壁面进行了墨迹显示。根据测量与显示结果,应用拓扑学原理分析了壁面与横截面流动的拓扑结构,推测出叶栅内流场的旋涡结构。分析结果表明,在直叶栅中存在着七条分离线与七大集中涡系,它们分别为上端壁叶顶进口吸力边与压力边马蹄涡,泄漏损失的机理,下端壁进口边马蹄     

射流旋涡发生器控制大折转角扩压叶栅二次流

将射流旋涡发生器引入到某折转角为60°的扩压叶栅端壁二次流控制中,研究了射流方向和射流总压对扩压叶栅气动性能及栅内流动的影响.结果表明:当射流旋涡发生器侧向倾角为0°时,仅采用不足扩压叶栅进口流量0.5%的射流流量,即可显著减少栅内损失.射流旋涡有效阻碍和推迟了通道涡发展,在下洗侧将主流流体卷入端壁附面层内,而在上洗侧将低能流体带入主流中,从而减少了角区低能流体聚积,减弱了吸力面的分离流动.当射流进口总压采用与扩压叶栅进口相同的总压时,总压损失减小21.5%,且射流进口总压越大,其控制效果越明显.      

端壁翼刀控制压气机叶栅二次流的数值研究

对CDA常规直叶栅和4种端壁翼刀方案下叶栅内三维粘性流场进行了数值研究。分析表明,端壁不同位置上的翼刀不同程度上都阻断了近端壁区域压力面至吸力面的二次流动,翼刀上方偏向吸力面侧有反向"翼刀涡"产生,通道涡的强度被削弱;距压力面30%节距位置为安装端壁翼刀的最佳位置,可使损失降低7%～9%。计算结果和实验结果吻合较好。