临界攻角下锯齿尾缘压气机叶片气动特性

基于Smagorinsky亚格子应力模型的大涡模拟,研究不同攻角下某型压气机叶栅的性能变化规律,获得临界攻角.分析临界攻角下不同齿高比(1.0~2.0)的锯齿尾缘叶片的气动特性及锯齿结构抑制流动分离的物理机理.研究表明:当攻角增至临界攻角时,叶栅的升压、扩压能力达到最大值,但此时伴随着流动分离、涡脱落等复杂流动现象,导致流动损失增加;锯齿尾缘结构能够改善叶片吸力面的流动分离,从而有效地减少吸力面边界层的厚度,延缓叶片失速,并能在不影响压气机增压能力的情况下降低损失;综合考虑流动损失及增压、扩压能力,齿高比在1.2左右时锯齿叶片的性能最佳;相较于基准叶片,最佳锯齿叶片的扩压能力基本相同,但是至少可以减少28.1%的流动损失,并提高1.2%的增压能力.     

轴流压气机平面叶栅气动特性的数值研究

以轴流压气机DMU37动叶根部5%叶高典型截面叶型为研究对象,采用Fluent软件,计算分析不同冲角和进口等熵马赫数下叶栅流场损失及气动特性.结果表明:同一冲角下,进口等熵马赫数的提高增加了叶片负荷和扩压能力,同时也使出口总压损失增加,失速冲角范围变小;相同进口马赫数时,随着冲角增加,出口总压损失先减小后增大,-4°冲角时总压损失最小.同时,验证了轴流压气机平面叶栅马赫数、冲角损失特性规律具有相似性,并且,叶栅端壁区域受进口马赫数和冲角变化影响较大.     

动态入流条件下的串列叶栅流场的研究

在航空发动机轴流压气机流动通道中为提高流场品质在高低压转子之间常会引入串列叶栅结构,叶栅上游叶片的转动会引起串列叶栅流场的动态入流（非定常入流）效应。动态入流会造成流场强烈脉动,影响串列叶栅的性能,研究动态入流串列叶栅流场的特性具有重要的工程意义。为了研究压气机串列叶栅在动态入流条件下的流场运动特性,本文选取了三个不同转子频率,运用UDF（User-Defined Function）实现进口马赫数随着时间正弦变化,进行压气机串列叶栅流场的数值模拟。结果表明动态入流下的串列叶栅流场比恒定来流的串列叶栅流场分离现象更加严重,叶栅流场的流通能力降低,入流频率越低流通能力越差。     

动态入流条件下的串列叶栅流场

在航空发动机轴流压气机流动通道中,为提高流场品质在高低压转子之间常会引入串列叶栅结构。叶栅上游叶片的转动会引起串列叶栅流场的动态入流(非定常入流)效应。动态入流会造成流场强烈脉动,影响串列叶栅的性能;研究动态入流串列叶栅流场的特性具有重要的工程意义。为了研究压气机串列叶栅在动态入流条件下的流场运动特性,选取了三个不同转子频率,运用用户自定义函数(UDF)实现进口马赫数随着时间正弦变化;进行压气机串列叶栅流场的数值模拟。结果表明动态入流下的串列叶栅流场比恒定来流的串列叶栅流场分离现象更加严重,叶栅流场的流通能力降低,入流频率越低流通能力越差。     

平面压气机叶栅非定常流动的数值研究

为了准确模拟非定常粘性分离流动,该文采用了三点五阶精度高分辨率广义紧致格式,对来流马赫数为0.5、雷诺数为106时负攻角、零攻角、正攻角等多种工况下平面压气机叶栅内部流场进行了数值模拟,得到了叶片压力面与吸力面上的压力分布以及它们随攻角的变化。数值解与风洞实验结果吻合得较好,表明使用雷诺平均Navier-Stokes方程加Baldwin-Lomax湍流模式来数值模拟平面叶栅中的非定常流动是一种可行的方法,三点五阶精度高分辨率广义紧致格式能够在较少的网格点上求解完全的N-S方程的条件下较为准确地模拟涡脱落现象。     

大涵道比风扇角区失速模化设计及非轴优化

为研究非轴对称端壁造型对大涵道比风扇角区失速流动的改善作用,对某风扇进行了平面叶栅模化设计及非轴对称端壁优化。采用数值模拟方法,以风扇根部叶型为基础进行模化设计;在此基础上,采用两种不同的控制点分布方法对平面叶栅进行非轴对称端壁优化改型。研究结果表明:模化后的平面叶栅角区失速流动及叶片加载特点与风扇原型基本一致;采用自由曲面及类两面角曲面两种非轴造型对平面叶栅角区进行优化,叶栅总压损失系数分别降低了4.57%和5.38%;将流场改善效果较好的类两面角曲面造型应用于风扇原型角区,结果表明该造型使得风扇效率提高了0.441%,角区失速现象也得到了有效的抑制。深入的流场分析表明,类两面角曲面的非轴对称端壁造型,沿流向能有效推迟压气机平面叶栅通道涡向吸力面的发展,沿径向通过使涡结构上移减弱在端壁附近吸力面附面层和通道涡的相互作用;与此同时,对大涵道比风扇原型的角区失速流动也能起到较好控制效果。     

基于圆弧斜缝处理机匣的压气机叶顶泄漏流实验和数值研究

为研究处理机匣对压气机总体性能、叶顶流动非定常性以及旋转不稳定性的影响,基于圆弧斜缝处理机匣对一台单级低速轴流压气机叶顶泄漏流进行被动控制.通过实验对不同工况下的叶顶脉动压力进行频谱分析,并对比机匣处理前后压气机性能以及转子叶顶区域流场特性的变化.结果表明:圆弧斜缝处理机匣能够使压气机获得6.8%的失速裕度提升量,抑制旋转不稳定性现象对应的频谱上的宽频带凸起,推迟泄漏涡的起始位置,进而消除了跨越相邻叶片周向传播的流动现象.斜缝内形成的回流能够抽吸低速流体,减少流道堵塞,改善叶顶的通流能力.     

平面叶栅流场非定常特性分析

为了分析平面叶栅流场的非定常流动特性,采用延迟分离涡模拟方法(DDES) 对某亚声速叶栅流场进行数值计算。为了保证计算准确,首先进行了最优网格选择、物理时间步长无关性验证;并与RANS-SA计算结果、实验结果进行对比。DDES方法计算结果表明,随着攻角的增大,尾缘涡会逐渐由细长型转变为结构整齐,频率单一的对涡结构,当攻角继续增大,对涡结构变得越来越不整齐。当攻角增大到吸力面出现大分离时,对涡结构消失,脱落涡表现出很强的随机性,吸力面分离涡在向下游传播的同时向周向传播,对相邻叶片的涡量分布产生影响。在大攻角工况时,进口马赫数的变化对于吸力面分离涡,尾缘涡都产生非常大的影响。     

轴流压气机旋转失速特征分析方法

鉴于压气机失速特征分析通常借助时域信号或傅里叶变换频域信号完成,较难捕捉其瞬态特征,为此将具备辨识信号瞬时细节特征的小波分析法引入轴流压气机旋转失速的特征分析中,基于节流阀模型,对某跨声速压气机转子进行了准三维非定常数值模拟,并对压气机在失速过程中静压信号的瞬时细节特征进行了小波分析.结果表明:给出的分析方法能够有效地捕捉到压气机稳态失速和动态失速过程的时频特征,可应用于压气机失速特征信号的检测和分析.     

高负荷扩压叶栅二维非定常数值模拟

为探究高负荷扩压叶栅在大正冲角下的非定常流动机理,应用数值方法与拓扑分析理论考察了大正冲角下叶栅内分离旋涡的发展过程,并分析了旋涡运动对流场参数的影响.结果表明,+15°冲角下叶栅内主要存在吸力面分离涡和尾缘涡,吸力面分离涡的脱落频率为104.7 Hz,尾缘涡和吸力面分离涡交替脱落形成两倍频211.5 Hz;分离涡在发展过程中会抑制和归并弱小旋涡,同时还会使叶片的局部气动负荷明显上升.     

叶片前缘造型对压气机平面叶栅气动特性的影响

为探究叶片前缘造型对压气机平面叶栅气动性能的影响规律,基于Fluent软件,采用一种径向参数造型方法对轴流压气机DMU37动叶根部5%叶高平面叶栅进行前缘改型,分析不同冲角下造型参数变化对叶栅流场气动性能的影响规律.结果表明:切削后的叶栅流场出口截面质量平均的总压损失系数变大,但较小切削深度使可计算正冲角范围扩大2°;在0°及正冲角时,切削后的叶栅静压比提高,端部区域低能流体向叶高中间位置迁移,端部区域总压损失变小;切削后的叶栅流场损失特性变化开始于前缘附近,进而影响整个流道,证明前缘对整个流场气动特性变化具有重要作用,为进一步探索前缘造型方法提供了参考方向.     

跨音速压气机间隙流与处理机匣相互作用分析

基于对压气机转子顶部间隙泄漏流的深刻认识，针对某跨音速轴流压气机转子，设计了一种新型的处理机匣结构，并对带处理机匣的压气机转子内部流动进行了全三维非定常数值模拟，数值计算所获得的总性能（实壁）与试验结果符合较好．该种新型处理机匣结构的引入能在不降低压气机设计点效率的前提下有效地提高压气机的失速裕度．对处理机匣与顶部间隙泄漏流之间的相互作用机制进行了详细分析．结果表明：处理机匣结构能抑制间隙泄漏涡破裂现象的发生，并将间隙泄漏涡破裂后导致的阻塞区抽吸进入处理槽，从而有效地提高了跨音速压气机的失速裕度．     

轴流压气机可调静子叶片间隙泄漏流数值研究

为了探究轴流压气机前面级可调静子叶片部分间隙泄漏流对压气机性能和流场的影响,通过数值方法模拟某轴流压气机带有可调静子叶片的前面级1.5级流场,并详细分析了部分间隙泄漏流特征。数值仿真结果表明,相较带容腔原型算例,部分间隙使得压气机特性线往左下方偏移,设计点效率降低0.12%,近失速点效率降低1.83%,但喘振裕度提升6.4%;可见受到部分间隙泄漏流影响,静子叶片根部出口气流角明显增加;部分间隙泄漏流可以给吸力面根部角区低能流体充能,降低设计点端壁处的损失,降低近失速点吸力面分离涡的强度,提升喘振裕度;根部部分间隙造成叶片根部做功能力降低,但影响范围控制在5%叶高以内;部分间隙造成静子根部流场发生改变,使得设计工况点静子根部产生一条附着线,并形成闭式分离。     

吸力面开槽抽吸对跨声速压气机扇形静子叶栅性能影响的数值研究

为探究附面层抽吸对跨声速压气机的气动性能及其流场结构的影响,以跨声速压气机的静子叶片为研究对象,通过数值模拟计算方法对压气机静叶吸力面开设抽吸槽进行相关研究.对比原型叶栅以及各抽吸方案可以发现:吸力面抽吸对抑制上角区分离效果明显,在降低损失的同时略微提高了扩压能力;当抽吸槽开设在靠近分离涡核心附近时,对角区的抑制最佳,而叶栅整体的总压损失降低了16.68%.利用进口导叶替代动叶营造近失速工况,在后续实验研究中,可以摆脱整级试验台高成本以及恶劣工况下的危险性等不利因素.     

压气机旋转失速数值模拟和流动显示

在压气机气动设计中,目前正大力开展的新技术是采用主动控制技术来提高压气飞机的旋转失速裕度;利用涡雾法对叶轮机叶栅流动进行数值模拟和计算机实时流动显示,从而揭示旋转失速的产生、发展和传播的机理和规律,为研究采用主动控制技术提高旋转失速裕度提供理论依据和指导,数值实验表明这种方法可模拟出旋转失速的产生、发展和传播的整个过程,并可正确地计算出旋转失速的传播速度。     

高负荷跨声速压气机流场结构分析

为研究某压气机内部流场结构,采用全流道非定常数值模拟方法,对跨声速压气机最高效率点和近失速点流场进行求解,重点分析近失速工况下压气机内部流场结构.研究表明:在近失速工况下,动叶槽道激波前推与前缘脱体激波融合为一道激波,强度增强;动叶20%叶高处激波前推最为严重,引起动叶吸力面附面层严重分离;静叶根部受上游动叶尾迹影响形成大范围的分离区,并有空间环涡结构形成.     

轮廓度加工超差对压气机气动性能影响的数值研究

在压气机叶片加工过程中,轮廓度较难保证,极易出现加工超差,对压气机的气动性能产生影响。以单级轴流压气机为例,通过数值计算研究了轮廓度加工超差对压气机气动性能和局部流场的影响规律。结果表明,动叶尖部轮廓度超差对压气机等熵效率的影响最为显著,而动叶根部轮廓度超差对压气机总压比的影响最大。进一步的敏感性分析指出,轮廓度的变化与轴流压气机的总性能参数呈现负相关特性,并且,随着叶片轮廓度的增大,进口负攻角逐渐增大,流动损失增加。     

中弧线参数化曲线形式对压气机叶栅性能的影响

不同形式的参数化曲线由于曲率特征不同,使得构造的压气机二维叶型几何存在差异,进而影响压气机叶片气动性能。本文针对二维叶型MAN GHH 1-S1,分别采用贝塞尔曲线、多项式曲线、曲率积分曲线构造叶型中弧线,并通过数值模拟,讨论中弧线参数化曲线形式对叶栅性能的影响规律。研究结果表明,曲率积分方案的改型叶栅能有效降低各攻角工况的叶型损失,并且拓宽攻角适应性范围。     

变冲角对高负荷扇形扩压叶栅性能影响的数值研究

为研究压气机变工况性能,以亚音速高负荷扇形扩压静叶栅为研究对象,利用数值模拟方法,探究冲角变化对扇形叶栅气动性能的影响.结果表明:端壁附面层的分离和二次流动以及角区复杂涡系相互作用,造成严重角区损失.扇形叶栅下角区损失始终大于上角区,且差距会随着冲角的增大而加剧.叶栅总体损失先减小后增大,并在-6°冲角时损失最小.随着冲角增大,栅内低压区位置及吸力面分离位置均提前,角区回流强度也随之增强,且下角区回流强度和回流增强速率均大于上角区.     

轴流压气机进口总压畸变的端区流动响应数值研究

为了探究进口周向总压畸变对压气机性能的影响,以及不同畸变角下压气机端区流场对畸变响应的区别,对跨声速轴流压气机一级动静叶进行全周非定常数值模拟,分别采用均匀来流,畸变角为30°、90°和120°的畸变来流这4种进口条件。进口畸变使压气机的性能明显恶化,并且随着畸变角的增大恶化加剧。畸变角为120°时,随着动叶扫过畸变区,动叶叶顶区域激波的结构和强度发生改变,叶顶间隙泄漏涡的轨迹和强度也发生周期性变化。畸变也会对下游静叶流动产生影响,使静叶叶顶和角区分离加重。当畸变角为90°时,所影响的动叶流道数减少但流场对畸变的响应规律没变。当畸变角减小到30°时,畸变经过动叶完全衰减,静叶流场几乎不受影响。研究结果揭示了压气机性能改变和叶顶、叶根端区流动结构动态特征与畸变来流间的关系,可为提高压气机抗畸变能力提供理论基础。