超高负荷低压涡轮叶片边界层分离与转捩控制研究

发布时间：2017-05-22 21:08

  本文关键词：超高负荷低压涡轮叶片边界层分离与转捩控制研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：通过高负荷叶型设计减少低压涡轮叶片数目是减轻低压涡轮重量、提高发动机推重比的一种有效途径。然而随着低压涡轮叶片负荷的提高,尤其是当低压涡轮工作于高空低雷诺数环境下时,叶片吸力面的边界层极易分离,导致叶型损失急剧增加,低压涡轮效率下降。利用上游尾迹扫掠能够在一定程度上抑制涡轮叶片吸力面的分离,然而随着叶片负荷水平的进一步提高(Zweifel数1.4以上),即使引入了上游尾迹的扫掠作用,超高负荷低压涡轮叶片上仍然不可避免地存在着流动分离。在这种情况下,认识上游尾迹的周期性扫掠对超高负荷低压涡轮叶片吸力面边界层分离及转捩过程的影响机制,探讨表面被动控制手段对超高负荷低压涡轮叶片性能及边界层特性的影响,同时借助二者的耦合作用最大限度抑制超高低压涡轮内部流动分离,降低叶型损失,是超高负荷低压涡轮设计亟需解决的关键科学问题之一。本文针对该问题,开展了如下研究： (1)定常来流下超高负荷低压涡轮叶片边界层流动控制研究。以典型的前加载超高负荷低压涡轮叶片(Zweifel数为1.4)为研究对象,借助数值模拟手段研究了表面局部粗糙度、拌线、矩形条、弧形槽等几种表面被动控制方式对低压涡轮叶片边界层特性影响及其作用机理,详细对比了不同流动控制方式对超高负荷低压涡轮叶片边界层流动分离控制的效果,反复优化获得了表面被动控制的最佳加载位置；在此基础上,针对控制效果最好的弧形槽流动控制方法为研究对象,在不同雷诺数下对弧形槽的深宽比进行优化,将低雷诺数时的总压损失降低了33%,揭示了弧形槽对边界层内粘性不稳定性的作用机理。 (2)基于尾迹扫掠下的超高负荷低压涡轮叶片边界层被动控制研究。同样以前加载超高负荷低压涡轮叶片(Zweifel数为1.4)为研究对象,用平行于叶栅的等间距的圆棒来模拟周期性的尾迹扫掠,研究了超高负荷低压涡轮叶片尾迹诱导转捩的机理和边界层的演化特征；在此基础上,为进一步减小叶型损失,开展了上游尾迹扫掠下超高负荷低压涡轮叶片表面被动控制研究,详细分析了上游尾迹扫掠下不同表面控制方式的作用效果,在弧形槽的控制方式下将非定常来流下低雷诺数时的叶型损失降低了9.5%；为了模拟发动机低压涡轮内部的真实流动状况,揭示了不同来流雷诺数、自由来流湍流强度时弧形槽对扰动速度逆向涡的影响及弧形槽在尾迹扫掠周期内对边界层内部和自由剪切层中的转捩过程的作用机理。
【关键词】：超高负荷低压涡轮叶片 上游尾迹扫掠 被动控制 低雷诺数 层流分离泡
【学位授予单位】：中国科学院研究生院（工程热物理研究所）
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TK403
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-16
• 第一章 绪论16-31
• 1.1 研究背景及意义16-18
• 1.2 边界层的分离与转捩18-23
• 1.2.1 边界层的分离18-20
• 1.2.2 边界层的转捩20-23
• 1.3 周期性尾迹与边界层的相互作用23-26
• 1.3.1 叶栅通道内非定常尾迹的对流机制23-25
• 1.3.2 尾迹诱导转捩25-26
• 1.4 边界层的分离与转捩控制26-29
• 1.4.1 定常来流下的分离与转捩控制27-28
• 1.4.2 周期性尾迹下的分离与转捩控制28-29
• 1.5 本文的研究目标和内容29-31
• 1.5.1 研究目的29
• 1.5.2 研究问题29-30
• 1.5.3 本文的主要研究内容30-31
• 第二章 数值计算方法与计算结果的确认31-48
• 2.1 引言31-32
• 2.2 耦合转捩模型的RANS方法32-40
• 2.2.1 RANS数值方法介绍32-33
• 2.2.2 Langtry-Menter转捩模型33-38
• 2.2.3 SST k-ω湍流模型38-40
• 2.3 数值计算结果的确认40-47
• 2.3.1 研究对象40
• 2.3.2 数据处理方法40-41
• 2.3.3 定常计算结果的实验考核41-44
• 2.3.4 非定常计算结果的实验考核44-47
• 2.4 本章小结47-48
• 第三章 定常来流下超高负荷低压涡轮叶片边界层流动控制48-72
• 3.1 不同方式的边界层被动控制研究48-57
• 3.1.1 不同加载位置的控制效果50-51
• 3.1.2 不同表面被动控制的控制效果51-52
• 3.1.3 不同表面被动控制的作用机理研究52-57
• 3.2 不同来流工况下弧形槽的作用机理研究57-70
• 3.2.1 不同深宽比下弧形槽的控制效果57
• 3.2.2 不同来流雷诺数下弧形槽的控制效果57-63
• 3.2.3 自由来流湍流区强度的影响及机理分析63-70
• 3.3 本章小结70-72
• 第四章 周期性尾迹扫掠下的边界层特性研究72-88
• 4.1 周期性尾迹来流条件下的边界层演化特征72-74
• 4.2 周期性尾迹来流条件不同雷诺数时边界层的分离转捩机理研究74-83
• 4.2.1 雷诺数对总压损失系数的影响74-75
• 4.2.2 Re=25000时边界层的发展及尾迹诱导转捩机理分析75-79
• 4.2.3 Re=50000时边界层的发展及尾迹诱导转捩机理分析79-83
• 4.3 提高自由来流湍流强度对边界层发展的影响及机理分析83-86
• 4.4 本章小结86-88
• 第五章 尾迹扫掠下超高负荷低压涡轮叶片边界层被动控制研究88-107
• 5.1 周期性尾迹扫掠下被动控制的数值模拟88-89
• 5.2 周期性尾迹耦合弧形槽控制下边界层的演化特征89-92
• 5.3 不同来流雷诺数下周期性尾迹耦合弧形槽对边界层发展的影响及机理研究92-98
• 5.3.1 雷诺数对总压损失系数的影响92
• 5.3.2 Re=25000时边界层的发展及转捩机理分析92-95
• 5.3.3 Re=50000时边界层的发展及转捩机理分析95-98
• 5.4 提高自由来流湍流强度时边界层的发展及转捩机理分析98-101
• 5.5 拌线SW32控制方式下边界层的发展及转捩机理分析101-105
• 5.6 本章小结105-107
• 第六章 结论与展望107-111
• 6.1 主要研究结论107-109
• 6.2 主要创新点109-110
• 6.3 工作展望110-111
• 参考文献111-117
• 附录117-123
• 发表论文123-124
• 致谢124

【参考文献】

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1 张玉伦;王光学;孟德虹;王运涛;;γ-Re_θ转捩模型的标定研究[J];空气动力学学报;2011年03期

  本文关键词：超高负荷低压涡轮叶片边界层分离与转捩控制研究，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：386871