考虑缘板间隙下非轴对称端壁的实验和数值研究

发布时间：2020-06-13 00:51

【摘要】：随着航空推进技术的不断发展涡轮叶片载荷逐渐增大,导致端部二次流动损失的占比显著增加,因此有效的降低端部二次流动损失是提高涡轮效率的关键所在。非轴对称端壁技术通过重新组织端部二次流动结构,可以有效的抑制二次流相关损失,在实际中已经得到应用。然而目前对于端壁造型改变流动结构进而影响损失来源的相关机制认识不够深入,需要对端部主要漩涡结构与不可逆损失来源之间的关系展开细致分析。此外,由于缘板间隙贯穿于整个通道端壁,间隙流动对端部流动结构及损失均会产生直接的影响。加上通流设计开始朝着更为精细化的设计方向发展,所以在非轴对称端壁设计时需要考虑缘板间隙结构的影响,以此来提高非轴对称端壁在实际应用中的效果。本文以低速大尺寸涡轮叶栅为研究对象,对其端壁进行非轴对称造型优化设计。以实验结合数值方法为手段对非轴对称端壁的减损机理进行了详细研究,并进一步计及缘板间隙对非轴对称端壁减损效果的影响。主要内容包括:1.非轴对称端壁优化设计。采用基于代理模型的优化算法,以出口截面上平均总压损失系数作为优化目标。在周向选取正弦曲线函数,轴向选取样条曲线函数,通过周向与轴向控制函数相乘的方法实现非轴对称端壁参数化。开发针对CGNS文件的网格编辑程序,提高优化过程中网格生成精度和效率,成功地优化设计得到非轴对称端壁。2.分析非轴对称端壁抑制二次流动以及减少相关损失的机理。采用实验测量和数值模拟相结合的方法,比较了优化得到的非轴对称端壁与原型平面端壁下叶栅气动性能。分析了通道内部漩涡结构及发展规律,对比了内部流动结构和损失分布,研究了通道内部漩涡结构和漩涡相互作用与不可逆损失源之间的关系,揭示了非轴对称端壁设计的减损机理。3.研究缘板间隙流的影响。研究了缘板间隙以及不同间隙净流量对端部二次流结构的影响,分析了不同间隙净流量下通道内部损失源的变化,解释了间隙流对非轴对称端壁减损效果的影响机制。4.非轴对称端壁优化设计中计及缘板间隙的影响。将缘板间隙结构加入到非轴对称端壁优化设计中,在给定间隙净流量条件下对非轴对称端壁进行新的优化设计,对比原型端壁和两种设计端壁通道中损失源分布,分析新设计的非轴对称端壁的减损机理。
【图文】：

二次流模型,端部,马蹄涡,通道涡

同时还发现了在马蹄涡两个分支在靠近吸力面位置诱导出两个新的漩涡。而Goldstein 和 Spores[35]在 1988 年运用了传质方法对端部流动进行了研究，认为马蹄涡吸力面分支应该保持在通道涡上方与通道涡一起向下游传播。Moon[36]在 2001 年提出的涡结构模型同样认为马蹄涡吸力面分支进入通道后沿着通道涡上方向下游发展。图 1-3 Langston 端部二次流模型[31]图 1-4 Sieverding 和 Vandene Bosch 模型[33]Fig. 1-3 Model of secondary flow fromLangston[31]Fig. 1-4 Model of secondary flow fromSieverding and Vandene Bosch[33]

三维流动,结构模型,端部,马蹄涡

除了马蹄涡两分支以及通道涡以外，通道内部还会产生出现的壁面诱导涡。马蹄涡吸力面分支在绕过前缘进入，在横向压力梯度下很难维持，相比压力面侧分支是一较难通过实验来观察到，故不排除以上部分研究可能将涡吸力面分支混淆，从而得出马蹄涡吸力面分支相对静的结论，因为这两个位置分别就是壁面诱导涡和角涡所Wang[37]采用激光平面烟线流场显示技术对叶栅入口到出十分细致的观测，，结合已有的模型研究提出一个十分全模型。该模型进口为马蹄涡多涡结构，进入通道后逐步支为主导的涡系结构。作者在实验中观察到了马蹄涡吸，并且在马蹄涡两个分支与壁面交界处诱发出新的涡对涡在通道涡的驱动下在下游逐步变强，沿着通道涡上方。Wang 将这个涡称为壁面诱导涡，这与 Sonoda 模型中是一致的, 另外在角区也诱导出尺度很小角涡。同时 W涡多涡系结构具有较强的非定常性。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V231

【参考文献】