跨音速透平叶栅尾缘劈缝射流气动性能分析

基于定常RANS方程,采用Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型,数值模拟某跨音速导叶尾缘劈缝射流的定常流动结构,分析尾缘劈缝射流对尾缘激波结构、尾迹流动特性及叶栅气动性能的影响。研究表明:开缝射流显著降低尾缘压力面侧燕尾波强度,并使激波在相邻叶片吸力面入射点向上游移动;当叶栅出口马赫数小于1.35时射流使吸力面燕尾波强度减弱,而达到1.35后射流使该侧激波强度增大;在不同出口马赫数下射流均能降低叶栅动能损失。     

跨音速透平叶栅尾缘劈缝射流的数值研究

采用Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型对跨音速导叶尾缘劈缝射流的定常流动结构进行了模拟分析,研究不同尾缘射流压比对尾缘激波结构与强度、尾迹形态、各种能量损失的影响规律.结果表明:劈缝射流可以减小尾迹宽度与低速峰值,降低尾缘燕尾波的强度,射流对压力面侧激波的削弱作用更大;射流使燕尾波的形成位置更接近尾缘,导致燕尾波张角增大;射流可以降低叶栅的总动能损失,压比对激波损失和尾迹损失的影响更明显,但对边界层损失的影响较小;根据叶栅出口的状态可知,存在一个最佳的射流压比.     

涡轮叶片尾缘偏劈缝结构二维模型的冷却研究

对叶片尾缘偏劈缝冷却结构的流动与换热进行了二维的数值模拟,研究了涡轮叶片尾缘无量纲长度L／H(即尾缘长度与冷气流出口的高度比)、偏劈缝喷射角a、吹风比M及Reynolds数(RP)对涡轮叶片尾缘平均冷却效果的影响。     

不同相对厚度前缘缝翼对S809翼型气动性能的影响

文章通过数值模拟方法研究了不同相对厚度的前缘缝翼对S809翼型气动性能的影响,并揭示了前缘缝翼相对厚度对流动控制产生影响的机理。研究结果表明:在大攻角下,空气流经过前缘缝翼会在其尾部产生涡旋,尾缘涡旋的形成有助于抑制S809翼型流动分离,进而改善翼型绕流场;不同相对厚度的前缘缝翼产生尾缘涡旋不同的流动轨迹,对翼型的流动控制作用效果不同;相同条件下,前缘安装最大相对厚度为35%的前缘缝翼能够将S809翼型最大升力系数提升至1.25,失速攻角推迟至17.21°;安装最大相对厚度为14%的前缘缝翼,能够使S809翼型最大升力系数提升至1.53,并使翼型在攻角为20.16°时仍未发生失速。     

跨声速涡轮叶片半劈缝长度及冷气量对叶栅流场的影响

通过在不同尾部劈缝结构以及冷气量情况下对某型跨声速叶栅数值模拟,得出了劈缝长度及冷气量对叶栅流道内及尾缘附近流场结构影响的规律。主要表现为:尾缘劈缝结构使叶片尾缘内伸波变为两道;长尾缘劈缝以及大尾缘冷气量不仅能够减小尾迹宽度、降低尾缘损失,也能够使叶片吸力面分离泡减小,黏性损失降低。     

吹风比和唇板厚度对叶片尾缘气膜冷却的影响研究

为了探究吹风比、唇板厚度对叶片尾缘半劈缝冷却结构气膜冷却特性的影响,采用数值模拟方法对比唇板厚度为4,5和3 mm,吹风比Br为0.5,0.8,1.0和1.5条件下叶片尾缘后台阶上的气膜冷却效率。结果表明：在吹风比Br为0.5时,叶片尾缘后台阶上产生的回流区大,冷气向展向扩散范围广,冷气在近劈缝一端向展向覆盖的较好,由于吹风比小,冷气流速慢,动量小,在后台阶远端燃气与冷气掺混量大,导致冷气冷却能力降低;在大吹风比下（Br=1.5）,冷气流速快,冷气从劈缝射出集中覆盖在劈缝下游处,而肋下游冷气覆盖效果差。唇板厚度影响着唇板出口处形成的回流区,增大唇板厚度将导致半劈缝出口气流分离所产生的涡强度变大,促进燃气与冷气的掺混,降低冷却效率,薄唇板会使尾缘气膜冷却效率显著提高。     

风力机尾缘襟翼结构参数优化及控制性能分析

为研究适应不同风况下的尾缘襟翼最优结构参数,以NREL 5MW风力机为参考对象,对FAST进行二次开发,在Matlab/Simulink上搭建了带尾缘襟翼的风力机气动弹性伺服仿真平台;以11.4m/s稳定风为例,综合考虑尾缘襟翼位置、长度、占弦比及摆角范围对风力机载荷抑制及功率捕获的影响,提出了基于正交设计的大型智能风力机尾缘襟翼的参数优化方法,得到一组最优的尾缘襟翼结构参数;研究了标准湍流风况下尾缘襟翼控制对风力机动态性能的影响.结果表明:尾缘襟翼不仅可显著降低叶片的疲劳载荷、减少变桨机构动作,还可有效抑制风力机输出功率的波动.     

尾缘非定常射流襟翼对垂直轴风力机气动特性影响研究

为提升垂直轴风力机气动性能并改善其动态失速特性,将射流襟翼布置于翼型尾缘压力面,并提出5种射流控制策略,采用计算流体力学方法研究不同策略对垂直轴风力机气动性能影响,从而确定最佳控制策略。结果表明：在180°~360°相位角范围内施加射流控制可使风力机风能利用系数在最佳尖速比下提升31.31%,并有效抑制吸力面尾缘涡形成与发展,增大翼面两侧压差;射流越靠近尾缘,垂直轴风力机气动性能提升效果越好。     

扰流柱实度对涡轮叶片尾缘劈缝冷却影响的机理研究

为了研究扰流柱阵列的实度对尾缘劈缝流动传热特性的影响,采用非定常计算以瞬时来揭示劈缝下游冷热气流混合流动机理。结果表明:扰流柱实度增加,劈缝下游涡核强度增加,流动损失增大,劈缝下游压力的周期性波动也加大,导致劈缝下游的冷却效果减弱;同一实度改变吹风比发现,吹风比为0.5时的冷流体流动状态不稳定,容易发生流动分离现象,且吹风比每增加0.5,劈缝下游的涡带面积相应减少1/3,流道内压力分布越均匀,流场品质越好,说明增大吹风比可以有效地削弱涡的产生,这对于劈缝下游壁面可以起到很好的保护作用。     

弧形锯齿尾缘对叶片气动噪声影响及机理的研究

以弧形锯齿尾缘叶片为研究对象,同时设置三角形锯齿尾缘和直尾缘叶片作为参照组,采用大涡模拟结合声类比方程的方法,对比分析不同攻角下3种叶片的声压级指向性、噪声频谱特性。通过分析3种叶片周围涡结构,进一步对弧形锯齿尾缘所特有的声学机理进行研究。结果表明：同三角形锯齿一样,弧形锯齿结构并未改变叶片声压级指向性呈偶极子分布的规律;弧形锯齿尾缘有效降低中高频段的噪声,低频段降噪效果不明显;锯齿结构影响尾缘处展向涡的发展,进而对叶片气动噪声产生影响,且弧形锯齿尾缘对尾部涡结构的影响程度大于三角形锯齿尾缘。     

尾缘双穿孔对翼型性能影响研究

相关研究表明多孔尾缘在降低翼型噪声的同时,对其气动性能也有一定影响,且穿孔几何尺寸和位置是影响尾缘翼型噪声与气动特性的重要参数。针对NACA65019翼型,在来流雷诺数Re=2×105条件下,采用计算流体力学方法研究具有不同穿孔孔径和位置的尾缘双穿孔翼型绕流特征和噪声特性,并通过部分实验验证模拟的可靠性。研究结果表明：尾缘双穿孔翼型在小攻角下,升阻比较原翼型有较明显的提升,当来流攻角大于12 °后,升阻比开始小于原翼型;在一定来流攻角范围内,尾缘双穿孔翼型可延迟吸力面分离,降低吸力面边界层厚度;边界层厚度的降幅与穿孔孔径、穿孔位置密切相关,最大可达28.8%。根据相关声学理论模型,分析了穿孔孔径及位置对尾缘双穿孔翼型噪声特性的影响,经数值研究表明：α=6°时,在100~7 kHz频率范围,不同的尾缘双穿孔翼型相较于原翼型噪声降低最高可达10.7 dB;d=1.0 mm和Xc/c=0.82翼型效果最佳。     

基于尾缘端区流动控制的端壁造型设计

基于Langston叶栅的数值计算结果,详细分析了原始模型尾缘端区的流动特征,设计了一种新型端壁造型并对其进行优化,将新型端壁模型与原始模型的流动现象进行对比评估,并深入讨论了两者的流动机理。结果表明:新型端壁能够抑制双子涡和尾缘端区尾涡的产生,消除端壁源点,端壁压力分布更为均匀,疏导了尾缘端区的低能流体,流动死区大大减小,流动得到明显改善,同时尾缘端区的总压损失系数及相对熵增下降。     

跨音速透平叶片尾缘流动状态的试验研究

本文叙述了在跨音速风洞中模拟跨音速透平叶片尾缘流动的试验结果.分析了跨音速透平叶片尾缘流动的机理.说明了诸如附面层、叶片尾缘厚度、来流马赫数等因素对尾缘死水区基压的影响.提出通过改变尾缘形状来改善跨音速叶栅气动特性的途径.图8表1参15     

尾缘修剪对风力机翼型气动性能的影响

对S809和S805 2种厚度不同的翼型进行尾缘修剪,采用翼型设计分析软件Xfoil对修剪前后翼型的气动性能进行计算,研究了不同程度尾缘修剪对翼型气动性能的影响,并采用CFD数值模拟方法进行流场特性分析.结果表明:尾缘修剪后会引起翼型在附着流区升力系数减小,最大升阻比减小,减小程度随着修剪程度的增加而加剧;对于厚度不同的翼型,尾缘修剪对其影响的主要区别在于失速区较厚翼型阻力系数减小,较薄翼型升力系数增大;翼型表面压力系数因尾缘修剪而发生改变,较厚翼型压力分布变化较为明显;尾缘修剪对尾流的扰动会影响翼型表面其他部位的流动,进而影响翼型气动性能.     

叶片尾缘劈缝射流尾迹相干结构数值研究

为揭示射流速比对尾迹流场及相干结构的影响规律,以叶片尾缘劈缝射流尾迹为研究对象,在非定常数值模拟结果基础上,采用快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)和本征正交分解(Proper Orthogonal Decomposition,POD)得到不同射流速比时尾迹脉动速度的频谱特性和POD模态及模态系数的频谱特性,研究表明:采用SAS(Scale Adaptive Simulation)湍流模型得到的计算结果与PIV实验结果吻合较好;不同射流速比时,尾迹中大尺度相干结构特性发生变化,导致回流区形态和空间尺度发生改变;上、下板尾缘脱落涡的主导结构均为卡门涡,但是不同射流速比时其脱落频率发生较大改变;射流速比的变化导致上、下板某一侧的旋涡强度增强,向下游输运距离更远,上、下板尾缘卡门涡的强度及空间尺度呈不对称性。     

锯齿尾缘风力机叶片气动及噪声性能研究

为理解锯齿尾缘风力机的气动噪声原理和气动性能,以NREL Phase VI风力机的锯齿尾缘仿生叶片为研究对象,在7 m/s风速工况下,采用分离涡和FW-H方程模拟相结合的方法进行仿真,获得并对比5个叶片展向位置的压力系数和声信号声压指向性。研究表明,在叶片吸力面靠近叶尖的尾缘区域,风力机原型相比于锯齿型出现了明显的分离现象;锯齿型叶片声压级在前缘处较大,尾缘处次之;锯齿结构改变了壁面分离模式,使流场得到改善,降低了风力机噪声的声压级,提高了叶片的气动性能,同时也说明了风力机叶片前缘与尾缘是噪声集中产生的位置。研究结果能够为风力机降噪提供重要的理论依据。     

尾缘加厚翼型的三维旋转特性研究

采用计算流体动力学(CFD)方法对MEXICO试验风力机叶片不同部位翼型在旋转状态下的升阻力系数进行计算,并与试验数据进行比较分析,验证了CFD方法能够准确预测翼型在旋转状态下的升阻力系数。通过采用尾缘对称加厚到5%翼型弦长的DU 97-W-300-05翼型和对应的尾缘未加厚的DU 97-W-300翼型设计,得到沿叶片径向具有相同弦长的风力机叶片,并采用CFD方法对该叶片在旋转状态下的气动特性进行计算。结果表明:在旋转状态下,当攻角小于15°时,尾缘加厚翼型的升力系数比相对应的尾缘未加厚翼型大10%左右;尾缘加厚翼型在旋转状态下的粗糙度敏感性好于相对应的尾缘未加厚翼型;随半径增大,尾缘加厚翼型和对应的尾缘未加厚翼型的升力系数都增大,但失速提前,尾缘加厚翼型升力系数增大得更明显。     

尾缘造型及冷气喷射对跨声速涡轮叶栅损失的影响

通过对不同尾缘造型、不同尾缘冷气喷射量下某跨声速涡轮叶栅的数值模拟,初步得出了尾缘劈缝冷却对尾缘损失以及叶栅能量损失影响的规律。其主要表现为:从减小叶栅能量损失角度来讲,尾缘冷气喷射流量存在最佳值,且随劈缝长度增加,此最佳冷气喷射流量越小;从减小尾缘激波强度角度来讲,较大的冷气流量以及较长的尾缘劈缝有利于减小激波损失,但会消耗过多冷气并增加掺混损失,导致总损失增加。     

尾迹作用下叶片表面非定常传热特性的数值分析

基于非定常RANS方程,采用尺度自适应湍流模型,模拟分析了某透平级的非定常流动与传热,研究在不同尾缘冷气射流条件下上游静叶尾迹结构的变化及其对下游动叶表面传热的影响.结果表明:导叶尾缘冷气射流对动叶表面传热的作用主要来自湍动能尾迹的传播,动叶压力面后部的时均表面传热系数提升约20%,但是动叶吸力面传热的时均值基本没有受到影响;带有冷气射流的尾迹给下游带来的扰动强度与范围更大,下游叶片表面的传热幅值波动加剧,这一特征随着冷气射流的动量比与速度比的增大而增强,动量比为1时,波动幅值相较无冷气射流工况时提高1倍.     

倾斜锯齿尾缘叶片噪声特性的试验研究

为了抑制非平板锯齿尾缘产生的窄带纯音噪声,以NACA65019叶片为研究对象,重新设计了一种倾斜锯齿尾缘,并在全消声风洞内进行实验测试。结果表明:在小攻角下倾斜锯齿尾缘可保证传统钝尾缘在高频范围内的降噪效果,同时削弱传统钝尾缘带来的窄带尖峰;在大攻角下传统钝尾缘不会引起窄带尖峰,具有一定的降噪效果,而倾斜锯齿尾缘降噪效果更明显。