等离子体激励式压气机

受吴仲华先生"叶轮机械三元流动理论"的启发,在前期压气机等离子体流动控制研究的基础上,进一步提出等离子体激励式压气机的概念,即将等离子体激励融入到S1,S2流面压气机气动设计之中,以释放常规压气机设计中失速裕度、负荷极限等因素的约束。本文旨在探讨等离子体流动控制在新一代高负荷压气机中应用的前景和研究趋势,通过原理论证与实例分析,首先阐述了等离子体激励式压气机的概念,然后梳理了压气机等离子体流动控制研究的若干进展,以论述等离子体激励式压气机设计的研究基础,最后给出了等离子体激励式压气机的典型技术路径和理论基础。     

动叶clocking对低速压气机性能影响的数值模拟

采用二维非定常数值模拟的方法研究了动叶相对位置的改变对低速压气机气动性能的影响。结果显示不同的动叶相对位置会改变上游动叶尾迹与下游动叶之间的相对位置以及下游叶列周围的周期性和湍流性速度波动。当上游尾迹被输运到下游叶列前缘附近的时候，对应较高的级效率；当上游尾迹被输运到下游叶列流道中央的时候，对应级效率较低．正确的配置动叶的相对位置，将会显减少第二列动叶表面流动的非定常性，对叶片气动性能有改善的作用。     

尾迹对压气机转子性能影响的非定常数值模拟

采用三维粘性非定常数值模拟方法,研究了上游尾迹对轴流压气机转子性能及其尖部非定常流动的影响.结果表明,在一定情况下,上游静子尾迹与转子内部流动的非定常相互作用,有可能改善近失速点的气动性能,如转子压比和效率升高,工作范围增大.其原因主要为:上游静子尾迹使转子尖区一次泄漏涡强度减弱,减少了二次泄漏涡强度或抑制了二次泄漏涡的产生,最终导致尖区损失减少;此外,尾迹使尖区激波位置后移,改变了尖部弦向的负荷分布,最终导致压气机稳定工作范围增大.     

高速压气机等离子体流动控制仿真研究

为了研究等离子体流动控制扩大压气机稳定性的流动机理,采用数值模拟方法研究了三种轴向等离子体激励方式对转速15200r/min,叶尖速度350m/s的高速压气机的扩稳特性。结果表明,对于轴向布置的三组等离子体激励器,其安装位置对单转子轴流压气机扩稳效果具有重要的影响,当第二组激励器位于叶尖前缘时扩稳效果最好。通过分析可知,等离子体气动激励能够显著改善叶顶负荷分布,抑制动量比的增加,改善泄漏涡的位置与形态,抑制泄漏涡向前缘的摆动,减小叶顶阻塞区域,最终扩大了高速轴流压气机的稳定工作范围。     

跨音速压气机非设计工况下动静叶相互作用的数值模拟

本文计算了某跨音速压气机的一级在非设计工况下动静叶干扰产生的非定常流动.计算以准三维的Navier-Stokes方程为模型,湍流模式采用Baldwin-Lomax代数模式.主控方程用高分辨率的MUSCL型Roe格式离散,离散方程用高效的LU-SSOR方法求解.本文提出了一种完全守恒的动、静叶交界面处理方法.周期性边界处理采用Rai的方案.根据计算结果,讨论了非设计工况下动静叶干扰的机理.     

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.     

跨音速压气机在非设计工况下动静叶相互作用的数值模拟

本文计算了某跨音速压气机的一级在非设计工况下动静叶干扰产生的非定常流动。计算以准三维的Navier-Stokes方程为模型,湍流模式采用Baldwin-Lomax代数模式。主控方程用高分辨率的MUSCL型Roe格式离散,离散方程用高效的LU-SSOR方法求解。本文提出了一种完全守恒的动、静叶交界面处理方法。周期性边界处理采用Rai的方案。根据计算结果,讨论了非设计工况下动静叶干扰的机理。      

等离子体激励抑制喷管分离流动数值模拟

为研究等离子体激励器对喷管分离流动的抑制作用,运用了模拟等离子体激励作用效果的唯象学模型,数值模拟研究了交流介质阻挡放电等离子体和电弧放电等离子体对喷管分离流动的抑制效果,并探究了电弧放电等离子体不同放电热功率密度、不同放电位置对抑制效果的影响。结果表明：电弧放电等离子体在抑制喷管分离流动方面有更好的效果。当电弧放电等离子体激励器作用于激波与边界层相互作用区的上游时,对分离流动的抑制效果最好;当电弧放电热功率密度较小时,其产生的诱导射流速度很小且不易对分离区的流线产生影响;当电弧放电热功率密度为8×10¹⁰ W/m³时,喷管的分离回流区完全消失。     

轴向倾斜缝对压气机转子叶尖泄漏涡的非定常控制数值研究

为研究轴向倾斜缝对转子叶尖泄漏涡的非定常控制作用,采用瞬时叶片排数值模拟方法对带不同数量轴向倾斜缝的Rotor 67转子进行非定常数值模拟。结果表明,轴向倾斜缝能有效扩宽转子的稳定工作范围;轴向倾斜缝缝数应使其通过频率与预测的转子叶尖泄漏涡非定常脉动频率相近为宜;当加入轴向倾斜缝这一结构激励源后,叶尖泄漏涡不再表现出自身的脉动频率,而只以轴向倾斜缝的激励频率为主频进行脉动;在小流量工作区间,越接近失速点,轴向倾斜缝对于叶尖泄漏涡的控制作用越强,叶尖泄漏涡的压力脉动也越剧烈。     

等离子体气动激励扩大低速轴流式压气机稳定性的实验

在低速轴流式压气机孤立转子实验台上进行了等离子体气动激励扩大压气机稳定性的实验研究.研制了等离子体气动激励处理机匣,通过比较一定转速下施加等离子体气动激励前后的压升系数和流量系数,研究压气机稳定性的变化.施加等离子体气动激励后,转速为900 r/min和1 080 r/min时,压气机近失速流量系数分别降低5.2%和5.07%.等离子体气动激励电压增大后,扩稳效果更好.在距离转子叶片前缘49.5%弦长处施加等离子体气动激励,扩稳效果更好.      

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.      

端壁等离子体气动激励抑制高负荷压气机叶栅角区流动分离实验

为揭示端壁等离子体气动激励抑制高负荷压气机叶栅角区流动分离的影响规律和流场特征,在不同流场参数和激励条件下分别开展了微秒脉冲和纳秒脉冲等离子体气动激励抑制叶栅流动分离的实验研究.结果表明:端壁等离子体气动激励可以有效抑制叶栅角区的流动分离,其作用效果在攻角为3°时最佳,随攻角的增大逐渐下降;微秒脉冲激励的流动控制效果随来流速度的增大而降低,随激励电压和占空比的增大而提高,最佳非定常脉冲频率为500Hz;在较高来流速度下,微秒脉冲激励的作用效果十分微弱,但纳秒脉冲激励能够有效抑制角区流动分离;纳秒脉冲激励的流动控制效果随激励电压增大而提高,激励频率对控制效果至关重要,作用效果随激励频率的增大而不断增强,但当激励频率为5kHz时,作用效果有所下降.      

旋转进口畸变频率对跨声速压气机稳定性影响的数值研究

为了研究旋转进口畸变对于压气机失速过程的影响,以及探讨最易诱发压气机失速的扰动频率即特征频率存在性的问题,采用非定常方法计算研究了4种不同频率的进口旋转畸变对跨声压气机Rot or37失速起始过程的影响。结果表明:在同样幅值条件下,当旋转频率与失速扰动频率相近时的畸变会引起失速,反之亦然;进口畸变的低压区引起部分叶片通道内流动结构失稳后,在叶尖泄漏涡破碎的作用下通道内形成严重堵塞,从而导致压气机失速。该方法能够较好地描述转子中失速团的发展过程,同时得出了进口畸变频率对失速过程影响的物理机制。     

湍流模型对压气机数值模拟精度的影响

开发了一个求解叶轮机全三维黏性流场的程序,采用了目前叶轮机数值模拟中常用的且模拟性能较好的三种湍流模型:k-ε模型,k-ω模型,Spalart-Allmaras(S-A)模型,计算了跨声压气机NASA(National Aeronautics and Space Administration) Rotor 37的流场,并与实验进行了性能参数、三维流场和角区流动的对比分析.考察在相同的数值计算平台上进行比较这几个湍流模型对压气机的数值模拟性能的影响.最终结果表明:对于具有强剪切、存在分离流的复杂的叶轮机三维流场来说,k-ω模型数值模拟精度更高,相比其他两个模型具有一定的优势.      

叶片安装角槽式轮毂处理的三维数值模拟

采用三维定常不可压Ｎ－Ｓ方程对叶片安装角槽式的轮毂处理的叶栅通道进行了数值模拟,分析了叶片安装角槽式的轮毂处理的扩稳机理,在计算中采用了非交错网格的ＳＩＭＰＬＥ算法,并解决了因使用非交错网格离散方程而带来的压力场振荡的抑制问题,紊流模型采用ｋ－ε两方程模型。     

受DBD等离子体控制的低速流动数值模拟方法研究

基于正离子、电子和氧负离子的三组分空气DBD等离子体动力学模型和流体动力学方程,利用有限体积方法处理控制方程空间项,采用双时间步方法模拟非定常过程,对DBD空气等离子体动力学模型方程和流体动力学方程松耦合求解,数值模拟了高压交流电源激励的低速空气等离子体流动过程。仔细研究了一个周期中真实时间步长对模拟DBD等离子体形成过程的影响,给出了等离子体的形成历程以及等离子体对低速翼型边界层流动的影响,结果在定性上是合理的。     

新型等离子体激励器的数值模拟

为了对新型多电极对等离子体激励器进行可靠的数值模拟,通过求解带有体积力源项的Navier—Stokes方程,模拟单电极对等离子体激励器在二维不可压流中对周围流场的影响,计算结果表明所使用唯象模型的参数基本正确。在此基础上,改进原有模型,对新型双极性等离子体激励器诱导流动进行计算。通过与实验结果的对比,发现改进后的模型能较好地模拟新型双极性等离子体激励器的控制作用,可为今后新型等离子体激励器的应用提供可靠的数值模拟方法。     

等离子体激励对串列叶栅流动分离抑制效果的数值仿真

为了探究不同等离子体激励布局对串列叶栅角区流动分离抑制的效果,采用数值仿真方法,在流动分离前施加激励,对不同布局激励前后流场的流场结构和总压损失沿流向分布进行对比,分析了等离子体激励布局对串列叶栅角区流动分离的影响,以及激励对串列叶栅气流掺混的影响。结果表明:在来流马赫数为0.5、攻角为4°时,ACU2布局激励对流动分离有较好的抑制作用,总压损失系数减小10.74%;ACU2-ACU5组合激励对抑制后排叶片的角区分离有较好效果,总压损失系数降低25.09%。     

大气压空气纳秒脉冲等离子体气动激励特性数值模拟与实验验证

从机理出发,建立了考虑15种粒子和42个反应的二维等离子物理-化学模型,采用3段变步长方法,计算了纳秒时间尺度上等离子体放电特性与微秒、毫秒和秒时间尺度上流场的温度、压力与速度响应,并利用伏安特性、综合成像高速摄像机(ICCD)与粒子成像测速(PIV)实验对模型进行验证.结果表明:纳秒脉冲等离子体放电可以形成速率高达1.8×1010 K/s的局部快速温升,热源最强位置在上极板后端点;局部能量快速注入可引发压力场强扰动,形成以上极板后端点位置为中心且呈不均匀分布的压缩波和紧随其后的膨胀波,强压力扰动波形成初始阶段以当地声速快速传播,但很快即衰减为弱扰动波;压力扰动后的局部高温诱导局部流场形成涡结构,涡内流体平均速度为0.3 m/s.仿真和实验结果均显示,施加重频纳秒脉冲激励时,局部诱导涡与宏观热对流效果相叠加,使流体响应呈先垂直向上、再稳定斜向右上射流的规律.