高负荷压气机叶栅等离子体流动控制数值仿真与拓扑分析

为揭示叶栅等离子体流动控制的影响规律与作用机理,对等离子体气动激励前后高负荷压气机叶栅内部流动和拓扑结构进行了对比研究。结果表明:等离子体气动激励抑制叶栅流动分离的作用效果最明显的区域位于总压损失区域与主流区域的边界上;不同等离子体气动激励布局,对固壁面拓扑结构以及奇点总数的影响规律不同;吸力面流向激励通过增强附面层流体抵抗逆压梯度的能力,可以改善叶栅中间叶高流动特性;端壁横向激励通过抑制横向流动,抑制角区流动分离能力较强,并改变叶片展向的负荷分布;组合激励结合了吸力面流向激励和端壁横向激励的作用优势,因而提高叶栅气动性能、降低流动损失的效果最好。      

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.     

轮毂旋转对环形叶栅角区流场的影响

通过数值模拟来研究和分析某环形叶栅轮毂壁面旋转对静子叶根角区流动结构的影响.研究结果表明:轮毂正向转动可以减小叶栅端壁区的流动堵塞,轮毂端壁角区的流动结构由三维分离流动结构转变为泄漏涡占主导的端壁分离结构.轮毂壁面旋转带来的叶栅角区流动结构的变化根本原因在于端壁转动引起的叶栅根部间隙泄漏增强,阻碍了轮毂端壁附面层二次流向叶片吸力面角区的堆积.      

高速压气机叶栅旋涡结构及其流动损失研究

为揭示高亚声速来流条件下压气机叶栅内部流动特性,对高速压气机叶栅通道内旋涡结构和流动损失的产生与演变规律进行研究。首先建立了数值仿真模型并用实验验证,然后详细研究了叶栅通道内主要旋涡结构、拓扑规律和旋涡模型,最后分析了叶栅通道内流动损失与旋涡结构的内在联系。高速压气机叶栅通道内主要存在马蹄涡、端壁展向涡、通道涡、壁角涡、壁面涡、集中脱落涡和尾缘脱落涡7个集中涡系,通道涡由端壁来流附面层中发展而来,是角区复杂旋涡结构的主要诱因;攻角由0°增大为4°,通道涡的涡核更早地脱落端壁附面层向角区发展,但对角区流动的影响减弱,叶片尾缘未形成明显的集中脱落涡。伴随着集中脱落涡的消失,叶栅固壁面拓扑结构中,叶片尾缘吸力面上没有出现与集中脱落涡对应的分离螺旋点,并且与叶中脱落涡层相对应的分离线和再附线消失,尾缘脱落涡仅包含近端区的一个分支。由总压损失沿流向和展向的变化规律,叶栅通道流动损失主要来源于角区复杂旋涡结构引起的强剪切作用,近端壁区的总压损失与角区主要涡系结构的生成和发展密切相关;攻角由0°增大至4°,角区旋涡的影响能力变弱,近端区流动损失减小,与叶中部位总压损失的差异缩小。     

叶栅等离子体流动控制布局优化和影响规律

为提高流动控制能力,基于高负荷压气机叶栅的流场特性和等离子体气动激励特性,对等离子体流动控制的激励布局进行优化,通过选取典型激励布局,实验揭示了不同因素对等离子体气动激励抑制叶栅流动分离的影响.结果表明:吸力面激励布局中,靠近前缘流向激励的作用效果强于展向激励和尾缘激励,沿流向分布多组电极的激励效果最佳;端壁激励布局中,横向激励的作用效果明显强于流向激励;组合激励布局中,基于端壁横向激励和吸力面流向激励的组合布局的激励效果最佳.等离子体气动激励的作用效果随着激励电压的增大而增强,随着攻角的增大其作用效果先增强后变弱;变定常激励为非定常激励,通过耦合流动的不稳定性,可以提高等离子体气动激励流动控制效果.      

涡流发生器对高负荷扩压叶栅性能影响的机理分析

为探明涡流发生器流动控制技术对高负荷扩压叶栅性能影响及作用机理,根据高负荷扩压叶栅的流动特点,提出了在叶栅入口端壁处加涡流发生器的流动控制方案,通过计算研究了采用涡流发生器前后叶栅气动性能、附面层及主要旋涡结构的变化。研究结果表明:采用涡流发生器后,叶栅正攻角下的气动性能显著提升,总压损失减小,静压升增大,稳定工作最大正攻角从3°增加至5°,其中在3°攻角下总压损失系数下降0.028,静压系数提升0.033;涡流发生器生成的尾涡阻挡端壁附面层由压力面向吸力面的横向迁移,使吸力面/端壁区域聚集的低能流体减少,改善了角区流动;采用涡流发生器后,通道涡、集中脱落涡和壁角涡减弱,角区分离得到抑制。     

具有不同翼刀的压气机叶栅二次流结构分析

给出了具有端壁翼刀、吸力面翼刀和组合翼刀的可控扩散叶型(CDA)压气机叶栅的二次流结构简图.端壁翼刀和吸力面翼刀分别通过阻断端壁横向流动和展向流动来对栅内二次流进行控制,不同程度上可使叶栅总损失得到降低;组合翼刀叶栅兼顾了端壁翼刀、吸力面翼刀叶栅中二次流的特点;最佳组合翼刀并不是最佳端壁翼刀和最佳吸力面翼刀的简单组合,它需要一个更详细的优化过程.不同翼刀在不同程度上改善栅内流动状况的同时,也伴随着端壁翼刀涡、吸力面翼刀涡和类通道涡的形成和发展,这使栅内旋涡结构较常规叶栅更为复杂.      

基于端壁涡流发生器的压气机叶栅角区分离控制研究

为研究被动式涡流发生器抑制压气机叶栅横向二次流以控制角区分离的作用,设计了在叶栅内部端壁处加装涡流发生器的控制方案,采用数值模拟的方法,详细分析了叶栅流场特性。结果表明:涡流发生器可以有效地抑制叶栅内部横向二次流,改善角区流动,在最佳控制方案中,总压损失系数下降8.1%;放置于叶栅内部的涡流发生器能阻挡气流的横向流动,其尾部产生的流向涡与横向迁移的端壁附面层相互作用,抑制了通道涡向吸力面的发展,并将主流高能流体卷入角区,增加角区流体动量;涡流发生器的长度和高度都会影响流向涡的强度,流向涡的涡核高度与涡流发生器高度一致,最终的控制效果由涡流发生器的长度和高度共同决定,只有当它们被合理选择,控制方案才能获得最佳控制效果。     

不同冲角下有叶顶间隙的涡轮叶栅拓扑与旋涡结构

对具有叶顶间隙的直叶栅和正、反弯三套涡轮叶栅进行了实验测量,研究在较大间隙（0．036）下,气流冲角和叶片弯曲对叶顶泄漏流动的影响。根据壁面流动的墨迹显示,应用拓扑学原理,分析了叶片表面和上、下端壁的拓扑结构,指出当气流冲角由0°增至20°时,与零冲角下的同类叶栅相比较,鞍点的位置均移向上游,分离区的范围在沿流向和垂直流向的方向上扩大,上、下通道涡分离线向叶展中部爬升。在冲角为零以及20°的情况下,叶片正弯均消除了上通道涡,这一方面减少了壁面流场中奇点和分离线的数量,较大地降低了上通道涡与泄漏涡的相互作用损失,另一方面强化了端壁横流对泄漏流动的封堵作用,有利于降低相对漏气量。     

端壁组合射流对高速扩压叶栅损失特性的影响

提出了一种端壁组合射流技术以控制进口马赫数0.67的高速扩压叶栅端区流动。通过前缘射流旋涡可以增强端壁附面层与主流间的流体交换,阻碍横向二次流动,减小角区低能流体堆积;而采用角区射流注入能量能够进一步减弱吸力面侧流动分离。以上组合控制方法可较单独采用前缘或角区射流更有效减小栅内损失,提高其气动性能。当角区射流位于近吸力面侧的分离起始位置附近时,其改善栅内流动的效果最佳;远离吸力面的端壁射流则可抑制端区低能流体横向迁移及其与分离区流体间的相互作用,但其减小损失的效果弱于近吸力面侧的射流。随着射流总压比的增加,组合射流减小损失的效果先增加后减小;过大的总压比会加剧射流与来流间的掺混损失,使得叶栅气动性能恶化。当射流总压比为1.2时,损失减小最大可达12.6%,而射流流量仅相当于叶栅进口流量的0.64%。     

Numerical Investigation of Flow Separation Control on a Highly Loaded Compressor Cascade by Plasma Aerodynamic Actuation

To discover the characteristic of separated flows and mechanism of plasma flow control on a highly loaded compressor cascade, numerical investigation is conducted. The simulation method is validated by oil flow visualization and pressure distribution. The loss coefficients, streamline patterns, and topology structure as well as vortex structure are analyzed. Results show that the numbers of singular points increase and three pairs of additional singular points of topology structure on solid surface generate with the increase of angle of attack, and the total pressure loss increases greatly. There are several principal vortices inside the cascade passage. The pressure side leg of horse-shoe vortex coexists within a specific region together with passage vortex, but finally merges into the latter. Corner vortex exists independently and does not evolve from the suction side leg of horse-shoe vortex. One pair of radial coupling-vortex exists near blade trailing edge and becomes the main part of backflow on the suction surface. Passage vortex interacts with the concentrated shedding vortex and they evolve into a large-scale vortex rotating in the direction opposite to passage vortex. The singular points and separation lines represent the basic separation feature of cascade passage. Plasma actuation has better effect at low freestream velocity, and the relative reductions of pitch-averaged total pressure loss coefficient with different actuation layouts of five and two pairs of electrodes are up to 30.8% and 26.7% while the angle of attack is 2°. Plasma actuation changes the local topology structure, but does not change the number relation of singular points. One pair of additional singular point of topology structure generates with plasma actuation and one more reattachment line appears, both of which break the separation line on the suction surface.     

通道前缘小叶片对轴流压气机叶栅气动性能的影响研究

为了更好地控制压气机静叶角区分离,结合翼刀和涡流发生器的流动控制思想,提出一种在叶栅通道前缘端壁设置小叶片的新型流动控制手段。以某高负荷轴流压气机叶栅为研究对象,基于数值方法深入分析了不同周向位置和安装角的小叶片对流场的影响。结果表明：小叶片存在提升叶栅气动性能的最佳周向位置和安装角范围。在近失速工况附近,小叶片可减缓角区分离,提高全叶高的扩压能力,但会不可避免地增加中间叶高位置处的流动分离和气动载荷;小叶片可减少角区分离损失和尾迹损失,提高各流向位置处的静压系数。小叶片能阻碍马蹄涡压力面分支发展,减缓叶栅前缘附近的横向二次流动。从小叶片叶顶泄漏的诱导涡可将马蹄涡压力面分支推向流向,带走端壁和角区附近的低能流体,从而削弱通道涡强度。     

冲角变化对弯掠压气机叶栅壁面静压分布的影响

实验研究了冲角变化对不同掠型叶片组成的平面扩压叶栅壁面静压分布的影响。结果表明,变冲角时弯掠叶栅端部横向、径向及流向压力梯度分布改善,正冲角时端壁与吸力面附面层相互作用减弱,避免了低能流体在吸力面角区的积聚及分离,同时也使得中径附近损失有所增加,但其总损失没有明显增大;负冲角时弯掠叶栅中径附近的损失增加在总损失中占主导地位,气动性能下降。在较大正冲角时弯掠叶栅仍能保持角区流动的稳定,若增大中径处的设计冲角能够获得更好的气动性能。     

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.     

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。     

端壁吸/吹气对超声速压气机叶栅流场影响机理的对比研究

附面层吸/吹气是抑制流动分离、提高压气机叶片负荷的有效技术途径。针对超声速压气机叶栅内激波诱导的角区分离,分别采用多种不同的端壁吸/吹气方案对其进行流动控制,旨在探索端壁吸/吹气对激波干涉下角区分离的控制机理,并对比分析端壁吸/吹气对超声速压气机叶栅角区分离的控制效果。结果表明:在激波/端壁附面层干涉下,该超声速压气机叶栅内存在大范围的激波诱导角区分离,角区分离使得该超声速叶栅存在强三维效应,二维叶栅中的单正激波变为"斜激波+正激波"结构,叶中吸力面尾缘开式分离变为闭式分离;端壁吸气可有效抑制该超声速叶栅的角区分离,吸气后近端壁区损失系数大幅降低,最优端壁吸气缝方案的起始点与亚声速压气机叶栅相同,但端壁吸气后叶中的双激波结构变为单正激波结构,叶中流动分离增大;端壁吹气也可有效抑制角区分离,其控制效果略优于端壁吸气,其原因是吹气缝处的静压高于吸气缝,对激波的增强作用弱于端壁吸气;与端壁吸气方案不同的是,最优端壁吹气缝方案的起始点位于叶片前缘。