轴流压气机悬臂式静叶端部流动实验及数值模拟研究

发布时间：2017-08-31 14:16

  本文关键词：轴流压气机悬臂式静叶端部流动实验及数值模拟研究

  更多相关文章： 轴流压气机 悬臂式静叶 泄漏涡 角区失速 阶梯状非均匀间隙 来流边界层

【摘要】：在轴流压气机设计中,可选用悬臂式或围带式两种不同的静叶结构。选用不同的静叶结构会使端部流动产生变化,从而影响压气机气动性能,但影响机理并未有统一结论,与之相关的端部流动结构变化机理仍需更深入的研究,以便进一步挖掘压气机性能提升的潜力。在本文中,通过压气机平面叶栅实验结合数值模拟手段,以无间隙叶栅定性代表围带式静叶结构,以不同间隙大小叶栅代表悬臂式静叶结构,在较大工况范围内,研究采用不同静叶结构时端部流动结构的变化机理,对比不同端部流动结构对叶栅气动性能的影响,从而为静叶端部流场优化设计及上下游叶片的匹配设计提供参考。本文第一部分首先在较大的攻角范围内,通过实验对无间隙叶栅气动性能以及内部流动结构展开研究。大负攻角工况下,叶栅内部存在从前缘端部向展向中部发展的三维分离涡结构,并在展向中部造成高损失区。设计工况下,叶栅整体损失随攻角变化较小,端部存在轻微角区分离。角区失速工况下,端部存在角区失速结构,大幅降低端部性能,此时叶栅整体损失随攻角增大而增大。组成角区失速结构的流体来源为受二次流效应影响的端壁附近流体,以及受尾缘压差驱动的回流。来流边界层增厚及进口主流速度增大都会使角区失速在更小的攻角下发生。第二部分中,在三个典型工况下引入间隙,通过实验手段研究了间隙变化对叶栅端部流动结构以及叶栅性能的影响。大负攻角工况下,不同间隙叶栅都存在前缘分离涡结构,间隙增大可以使叶栅总损失近似线性减小,并使间隙侧气流折转能力略微提升。设计工况下,小间隙(0.2%展长)会加剧无间隙叶栅原有的角区分离结构,当间隙进一步增大时,角区分离消失并形成泄漏涡结构。叶栅总损失随间隙增大呈先增大后减小再增加的趋势,角区分离的消除有助于提高间隙侧气流折转能力。角区失速工况下,间隙的引入可以削弱并移除间隙侧角区失速结构,从而使叶栅总损失下降,并在0.5%展长间隙时达到最小值,同时间隙侧气流折转能力得到增强。在间隙变化过程中,两侧端部流动结构产生相互影响。通过实验油流显示和数值模拟研究证明,弦向不同位置泄漏流是由从前缘压力面附近区域进入叶栅流道的流体组成。间隙的存在会在间隙内部和吸力面附近产生一个低压区,该低压区随间隙减小向前缘收缩,从而使弦向中后部泄漏流降低,有利于角区分离的发生。当角区分离发展到附着于吸力面时,端部流动以角区分离为主导,否则以泄漏涡为主导。来流边界层变化对泄漏涡结构影响较小。当角区分离和泄漏涡结构同时存在时,来流边界层增厚会加剧角区分离,使叶栅性能下降。进口主流速度在中亚音速以内时,间隙变化对端部流动的影响规律基本保持一致。第三部分中,通过数值模拟手段,研究采用弦向阶梯状非均匀间隙对悬臂式静叶间隙侧端部流场的影响。结果显示,存在最优的阶梯状非均匀间隙配置,使叶栅性能最优。并且在弦向后部布置局部大间隙对静叶性能提升效果要优于布置于弦向前部。通过实验和数值模拟显示,合适的叶栅倒角可以削弱无间隙侧角区失速结构,从而进一步提升悬臂式静叶整体性能。第四部分中,利用热线风速仪在栅后不同轴向位置,测量不同端部流动结构特性。结果表明,端部流动结构所引起的栅后高湍流度区范围与高损失区范围基本一致。叶栅环境下,角区失速结构具有低频的特征频率,而泄漏涡结构及设计工况下的角区分离结构没有明显的特征频率。角区失速结构内部不同空间点的频谱特性相差很大,显示出各向异性的特征。而泄漏涡结构内部不同空间点的频谱特性相似。在同时存在泄漏流和较大角区分离的小间隙叶栅中,间隙侧端部流动的非稳态特性受角区分离主导。在向下游发展过程中,角区失速结构的频谱特性衰减速度要快于泄漏涡结构。
【关键词】：轴流压气机 悬臂式静叶 泄漏涡 角区失速 阶梯状非均匀间隙 来流边界层
【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】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK474.81
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-20
• 第一章 绪论20-38
• 1.1 研究背景及意义20-23
• 1.2 压气机静叶端部典型流动结构研究进展23-34
• 1.2.1 泄漏涡结构研究23-26
• 1.2.1.1 泄漏涡结构特性23-25
• 1.2.1.2 泄漏涡控制手段25-26
• 1.2.2 角区分离结构研究26-33
• 1.2.2.1 角区分离结构特性26-30
• 1.2.2.2 角区失速控制手段30-33
• 1.2.3 角区分离与泄漏涡的相互作用研究33-34
• 1.3 对压气机静叶端部流动相关研究的总结及其对本文研究内容的启发34-35
• 1.4 本文研究内容及研究目标35-38
• 第二章 叶栅实验平台及数据处理方法介绍38-54
• 2.1 引言38
• 2.2 低速压气机平面叶栅风洞38-39
• 2.3 风洞品质39-41
• 2.3.1 进口气流均匀性39-40
• 2.3.2 进口主流湍流度40
• 2.3.3 出口气流周期性40-41
• 2.4 可调间隙叶栅几何参数及结构介绍41-42
• 2.5 油流显示法介绍42-44
• 2.6 测量及数据采集系统44-49
• 2.6.1 硬件系统44-45
• 2.6.2 软件控制程序45-46
• 2.6.3 测量设备46-49
• 2.6.3.1 压力扫描阀46-47
• 2.6.3.2 七孔气动探针47-48
• 2.6.3.3 热线风速仪48
• 2.6.3.4 端壁静压测量设备48-49
• 2.7 数据处理方法及误差分析49-51
• 2.7.1 质量加权平均法49
• 2.7.2 实验误差分析49-51
• 2.8 数值模拟手段及网格生成方法介绍51-52
• 2.9 本章小结52-54
• 第三章 无间隙叶栅气动性能和内部流动结构研究54-82
• 3.1 引言54
• 3.2 无间隙叶栅气动性能随攻角变化的实验研究54-59
• 3.3 无间隙叶栅典型工况下的内部流动结构研究59-80
• 3.3.1 设计工况下内部流动结构分析60-63
• 3.3.2 角区失速工况下内部流动结构分析63-69
• 3.3.3 大负攻角工况下内部流动结构分析69-72
• 3.3.4 来流边界层变化对角区失速现象的影响72-78
• 3.3.5 进口主流速度变化对角区失速现象的影响78-80
• 3.4 本章小结80-82
• 第四章 典型工况下间隙变化对端部流动结构和气动性能的影响82-118
• 4.1 引言82
• 4.2 设计工况82-94
• 4.2.1 设计工况下间隙变化对气动性能的影响82-86
• 4.2.2 设计工况下不同间隙叶栅内流场结构变化86-94
• 4.3 角区失速工况94-103
• 4.3.1 角区失速工况下间隙变化对气动性能的影响94-96
• 4.3.2 角区失速工况下不同间隙叶栅内流场结构变化96-103
• 4.4 大负攻角工况103-108
• 4.4.1 大负攻角工况下间隙变化对气动性能的影响103-106
• 4.4.2 大负攻角工况下不同间隙叶栅内流场结构变化106-108
• 4.5 来流边界层变化对带间隙叶栅端部流动的影响108-112
• 4.6 进口主流速度变化对带间隙叶栅端部流动的影响112-116
• 4.7 本章小结116-118
• 第五章 悬臂式静叶流场改善手段探索118-134
• 5.1 引言118
• 5.2 阶梯状非均匀间隙对叶栅性能的影响118-128
• 5.2.1 设计工况下采用阶梯状非均匀间隙对叶栅性能影响119-124
• 5.2.2 角区失速工况下采用阶梯状非均匀间隙对叶栅性能的影响124-128
• 5.3 叶栅倒角对带间隙叶栅性能影响128-132
• 5.4 本章小结132-134
• 第六章 端部流动结构非稳态特性的实验研究134-148
• 6.1 引言134
• 6.2 不同端部流动结构栅后湍流度分布特性对比134-140
• 6.2.1 角区失速工况下栅后湍流度分布特性研究134-139
• 6.2.2 设计工况及大负攻角下栅后湍流度分布特性研究139-140
• 6.3 端部流动结构频谱特性分析140-146
• 6.3.1 角区失速工况下端部流动结构频谱特性分析141-143
• 6.3.2 角区失速工况下端部流动结构频谱特性轴向衰减分析143-144
• 6.3.3 设计工况及大负攻角工况下端部流动结构频谱特性分析144-146
• 6.5 本章小结146-148
• 第七章 总结与展望148-152
• 7.1 总结148-150
• 7.2 本文的创新之处150
• 7.3 研究展望150-152
• 主要符号说明152-154
• 参考文献154-168
• 攻读博士学位期间的学术论文、专利申请与获奖情况168-170
• 致谢170

，

本文编号：766065