不同攻角下矩形缝隙叶栅流动研究

当压气机叶片负荷很大时,吸力面会发生严重的分离,在此基础上若正攻角继续增加,则叶片整个吸力面都可能发生分离,吸力面分离起始点不断向叶片前缘移动,可能出现类似外流中大攻角三角翼的非对称结构.利用数值模拟方法,采用边界层吹气技术,研究了具有68°折转角的矩形缝隙叶栅在不同攻角条件下的流动特点和气动性能.计算结果表明,叶片采用压力面到吸力面的吹气槽,在正攻角较大时能有效控制扩压叶栅中的附面层分离,消除原型叶栅中非对称的旋涡结构,降低气动损失,其中在+4°攻角下可将能量损失系数降低约12.5%,同时可使流通能力大大改善,扩大稳定工作范围.     

基于大涡模拟及实验的压气机叶栅角区分离研究

为了研究叶栅内部的流动特性,以及不同攻角下的角区分离模式,对压气机叶栅流场进行了分析。针对两种攻角条件下的平面叶栅模型,采用瞬态雷诺时均(URANS)以及大涡模拟(LES)湍流模型进行了数值模拟研究,并结合叶栅风洞实验验证了数值模拟结果的准确度。对比研究了零攻角以及10°攻角下的叶栅出口流场,叶栅、端壁表面极限流线,以及角区分离结构。研究结果表明:LES能够较好地对角区、尾迹损失进行预测,但URANS在大攻角下的模拟则与实验偏差较大;零攻角下吸力面出现层流分离泡、转捩以及再附现象,而大攻角下吸力面前缘未出现层流分离,而是直接发生转捩以及再附现象;与零攻角相比,10°攻角下的角区分离在展向范围未发生明显变化,在横向范围有小幅度增加,但吸力面附面层分离导致尾迹范围扩大了接近130%,同时总压损失系数提高了接近135%,即大攻角下的主要损失是由吸力面附面层分离以及尾迹损失带来的,而非角区分离。     

攻角对透平叶栅气动性能影响的研究

采用叶栅吹风试验与数值模拟相结合的方法,研究了攻角变化对具有较大前缘半径和进口楔角的透平叶栅气动性能的影响,试验测量在出口马赫数为0.8、攻角-61.0°-＋4.0°内进行,对应的雷诺数为6.0×105.在试验验证数值方法可靠性的基础上,对叶栅流动损失进行了数值研究,分析了攻角变化对试验叶栅型面损失中吸力面与压力面边界层损失、尾迹损失和端部次流的影响特性.结果表明：当攻角从＋4.0°变化到-41.0°时,叶片表面没有发生流动分离,出口截面的总压损失系数变化幅度不超过0.21%;在负攻角很大（-61.0°）时,压力面边界层发生流动分离,型面损失急剧增大;具有较大前缘半径和进口楔角的试验用叶栅表现出良好的变攻角气动性能.     

大小叶片扩压叶栅气动性能与流动结构实验研究

针对45°叶型转折角扩压叶栅及增加小叶片后组成的大小叶片叶栅,分别测量了其在设计工况及不同气流攻角下的叶栅气动性能,通过PIV实验获得了对应工况下的叶栅内部流动状态.结果表明：增加小叶片后,叶片压力面至吸力面的压力梯度明显降低,大叶片载荷降低;在设计工况下,叶栅气流落后角仍可参考霍威尔半经验公式进行计算,但偏离设计工况后,该公式存在较大误差;大小叶片叶栅的气流落后角仅在小气流攻角下明显减小,在其余工况下变化不大;不同气流攻角下小叶片对大叶片表面气流流动分离起到约束作用;在设计工况至大气流攻角工况变化过程中,叶栅扩压损失有所降低.     

表面粗糙度对压气机叶栅流动特性的影响

在低速平面叶栅风洞中,实验研究了表面粗糙度对高负荷压气机流动特性的影响,并对叶片吸力面不同位置布置的表面粗糙度进行了对比分析。通过墨迹流场显示法对叶栅壁面流场进行了测量,利用五孔气动探针对叶栅出口截面进行了扫掠,给出了不同方案出口截面马赫数、二次流速度矢量的分布以及叶栅的流场特征,以分析和探讨表面粗糙度对叶栅流动特性的影响。结果表明,吸力面局部表面粗糙度的增加使得角区分离范围减小;且随着粗糙带向尾缘移动,角区分离范围的减小程度也逐渐增加。     

小叶片对大转角扩压叶栅出口流场的影响

采用五孔探针分别测量了6~26°不同攻角下,大转角高扩压度叶栅及增加小叶片后叶栅的出口流场。结果表明:大小叶片叶栅中,小叶片改善了设计工况下叶栅内部流动,抑制了大叶片吸力面及端壁角区流动损失向叶栅中部的发展;在较大与较小攻角时,叶栅流动损失明显增加;大攻角时大小叶片叶栅出口中部区域速度场得到明显改善,其余工况通流能力变化不大;大小叶片叶栅在所有工况下,出口截面上气流转角整体平均约增加3~5°,表明气动负荷有一定提升。     

弯叶片对大展弦比扩压叶栅角区分离控制机理研究(二)——弯叶片对静压场分布的影响

以大展弦比扩压叶栅为研究对象,分析了弯叶片中弯高和弯角分别对叶栅静压场分布的影响。通过对比分析展向静压场分布和型面压力分布随弯高和弯角的变化规律,并结合第一部分发现的弯叶片角区分离起始点和吸力面回流区范围随弯高和弯角的变化规律,探讨了弯叶片的角区分离流动控制机理。     

大攻角平面压气机叶栅内的PIV应用

本文利用二维PIV测量系统,在低速风洞中对NACA65翼型在大攻角情况下的流场结构进行了实验研究。实验结果表明,在10°左右攻角下,叶栅流道中存在很强的非定常流动,叶片吸力面附近存在大面积分离;近尾迹处则是以典型的集中涡为主导的流动现象,流动形态复杂,流场变化大。     

可控扩散叶型振荡叶栅边界层转捩特性分析

为研究某重型燃气轮机的压气机叶栅在振荡条件下的非定常响应特性,采用基于γ-Reθ转捩模型的雷诺时均方程对可控扩散叶型组成的振荡叶栅进行了数值计算,研究了折合频率、来流攻角和前缘造型对叶片气动性能及表面边界层发展的影响。结果表明：叶片吸力面发生分离前存在较大的压力波动,边界层转捩后叶片表面压力波动减小;叶片振动对可控扩散叶型的分离转捩特性影响较大,随着叶片振动折合频率的增大,叶片吸力面边界层分离转捩位置向叶片前缘移动;通过优化前缘曲率造型能抑制边界层转捩位置的前移,同时改善振动状态下的前缘压力波动特征。     

基于LES的压气机叶栅通道非定常流动结构研究

为了进一步理解压气机叶栅通道内的非定常流动结构,采用大涡模拟(LES)方法研究了来流附面层厚度和稠度变化对叶栅通道内涡系结构及总压损失系数的影响。研究表明：来流附面层增厚将导致端壁处流体的轴向动能降低,使得马蹄涡压力面分支更早地流向相邻叶片吸力面;来流附面层越厚,通道涡在叶栅尾缘沿展向抬升的高度越高,角区分离的范围也越大;叶栅的总压损失随附面层增厚而增加,附面层损失增加显著,二次流损失有所增大;稠度较低时叶栅吸力面表面存在分离,会对通道涡及角区分离产生影响;稠度增大,横向压力梯度减小,叶栅流道的速度分布更均匀,通道涡的强度和尺度减小,角区分离的范围减小;稠度增大使叶表不再分离时,总压损失显著降低,但稠度继续增大会使气流与叶片表面的摩擦损失增加。     

波纹叶片控制扩压叶栅流动分离的DES数值模拟

为了研究新型被动流动控制技术-波纹叶片对扩压叶栅流动分离的控制效果并探索其流动机理,本文采用分离涡算法(DES)对0°和8°攻角下的原型和波纹叶片进行数值模拟。研究结果表明:在0°攻角下,波纹叶片对扩压叶栅性能产生的影响非常微弱,总体性能与原型叶栅基本相当,非定常流动具有较好的周期性;在8°攻角下,波纹叶片能明显降低叶栅总压损失、减小流动分离。详细的流场细节分析表明,叶片表面的波纹能诱导产生一对反向旋转的流向涡,有效加强叶栅前缘的局部流动,为附面层的低能流体注入动量,从而提高了附面层抗分离能力,延缓了分离的产生。     

弯叶片对大展弦比扩压叶栅角区分离控制机理研究(一)——弯叶片对角区分离起始和发展的影响

以大展弦比扩压叶栅为研究对象,根据角区分离流动特点提出了以角区分离起始点和吸力面回流区边界作为描述角区分离的关键参数,研究了角区分离起始点和吸力面回流区边界随弯角、弯高的变化规律,揭示了弯叶片对角区分离起始和发展的影响。     

凹凸前缘压气机叶栅旋涡结构探索

为改善压气机叶栅内的分离流动、优化气动性能,以仿生凹凸前缘叶栅为研究对象,基于数值方法分析吸力面特殊流动形成的原因,研究零攻角工况下凹凸前缘叶栅的流动特性,并基于涡系变化和附面层结构的分析,总结了凹凸前缘叶栅的流动控制机理。研究结果表明:由于前缘压力梯度作用使凹凸前缘叶栅形成了特殊的流向涡对,在下游向两侧发展形成特殊的三维分离结构,挤压局部流管收缩,提高了流动附着性并重组附面层结构,降低了角区分离范围且避免了大尺度集中脱落涡的形成,改善了下游流动。探索了凹凸前缘叶栅的典型旋涡模型,并基于对流动控制机理的理解,给出若干优化方案,得到叶栅气动性能提升,其中WFB-2-9叶栅相比原始叶栅总压损失系数降低了10.47%。     

吸力面附面层抽吸对大转角扩压叶栅气动性能影响

为研究附面层抽吸对大转角扩压叶栅气动性能的影响,借助实验校核CFD方法,探究了沿叶片弦向吸力面不同抽吸位置及抽吸流量对损失的抑制效应。结果表明附面层抽吸技术可以很好的控制叶型损失,改善角区流动形态,吸力面最佳抽吸位置位于分离线起始位置处,且在小抽吸流量范围内,随抽吸流量的增大损失逐步降低,但降低幅度逐渐减少。     

涡轮静叶栅二次流的数值模拟

采用CFD软件Fluent数值求解了大转折角涡轮静叶栅三维流动,分析了叶栅沿流向各截面二次流及叶栅的气动特性,并研究了叶高以及入口攻角变化对叶栅二次流的影响.计算发现,由叶栅压力面向吸力面运动的二次流强度沿流向逐渐增大,引起吸力面附近端壁附面层不断壮大且在后部卷起,并导致沿叶高总压损失系数和沿叶高出口气流角的剧烈变化.通过不同叶栅工况的比较,发现叶高的减小以及攻角的增大会极大提高叶栅的二次流损失,其本质原因都是叶栅通道内二次流所占区域的扩大所致.     

吸力面吹气抑制高负荷叶栅角区分离的数值研究

为提升高负荷扩压叶栅的气动性能,应用吸力面吹气对其角区分离流动进行抑制。利用数值模拟的方法,详细探讨了4种吹气动量系数对高负荷扩压叶栅流场以及损失的影响。计算结果表明,原型高负荷叶栅内部流动复杂。应吸力面吹气可有效减小叶栅气动损失,提升叶栅负荷,降低端区流动堵塞。高吹气动量系数方案对流场改善效果更为明显,角区分离尺度大幅度缩小,但计及吹气功耗时,损失反而较高。     

高负荷风扇末级静叶气动特性试验研究

为了研究高负荷风扇末级静叶的气动性能,通过在静子叶栅前加装导流叶片,来模拟多级风扇中动叶出口气流参数,通过旋转导叶改变静叶进口气流角,分析不同进口气流角和进口马赫数条件下的静叶气动特性。研究表明:本研究设计的导流叶片可以为静叶提供接近动叶出口条件的来流参数,从而开展静叶试验研究。该静叶为大折转角扩压叶栅,随马赫数增加,总压恢复系数减小。随转角增大,静叶压力面流动随导叶转角增加明显改善,分离范围减小;吸力面存在较大范围的分离,转角增加对分离范围影响不大。     

船用燃气轮机变几何动力涡轮大攻角流动特性的三维数值模拟

采用三维数值模拟技术,研究了可调导叶转动导致变几何动力涡轮气动性能变化的流场机理。结果表明,在较小的转角范围内,采用大转折角设计的可调导叶使涡轮处于大攻角运行。在大正攻角或大负攻角下可调导叶级动叶栅流道内的三维分离流场结构及其产生机理有很大差异,而且大正攻角造成的吸力面分离流动更使整个涡轮的效率显著地下降。通过系统的机理分析,提出可调导叶宜采用较小转折角的后部加载叶型,而变几何动力涡轮可调导叶级动叶栅要采用较大负冲角的气动设计原则。     

康达喷气叶栅喷气内腔体拓扑优化设计及试验研究

为了减小从康达喷气叶栅内部流出的喷气方向与叶栅主流方向的偏差,进一步提升康达喷气对流动分离的抑制效果,本文基于流体拓扑优化技术及布置导流肋的方法对康达喷气叶片原始喷气内腔结构进行优化设计。采用数值计算和高速风洞试验评估优化的喷气内腔结构对康达喷气叶栅气动性能的改善效果。结果表明：优化设计的带肋喷气内腔结构可以减小康达喷气与主流掺混的偏差角,叶片吸力面尾缘的流动分离区域进一步减小;在来流Ma为0.5、攻角为0°、1.25%喷气量下,采用带肋喷气内腔的康达喷气叶栅总压损失系数较采用原始喷气内腔结构降低了7.15%;采用带肋喷气内腔结构能够使叶栅在不同工况条件下的总压损失小于原始内腔结构,且在最佳喷气量下获得最小的总压损失系数。     

不同冲角端壁翼刀控制压气机叶栅二次流的实验研究

对不同冲角下端壁翼刀安装在不同周向位置的压气机叶栅进行的实验研究,结果表明,叶栅总损失随翼刀位置的变化趋势是远离吸力面时损失降低,靠近吸力面时损失升高,冲角变化时叶栅总损失降低的最佳翼刀位置发生变化;在距离吸力面位置70%相对节距处安装翼刀后叶栅总损失在一定的冲角范围内(-9°~+6°)仍然比常规叶栅低。在负冲角下,安装翼刀对流道内流动的影响有随冲角的增大而减小的趋势;在正冲角下,安装翼刀对流道内的影响有随冲角增大而加强的趋势。