尾缘锯齿结构对高速扩压叶栅气动性能的影响
发布时间：2020-11-08 14:41
作为航空发动机的核心部件之一,对风扇/压气机内部流动的控制可以显著提高其压比,减少损失,对提升航空发动机的性能有重要意义。而随着压气机叶片负荷的提高,其内部流动分离情况更为严重,附面层低能流体向吸力面角区的堆积,产生严重的尾缘脱落涡和集中脱落涡,导致尾迹掺混损失,并恶化了下游叶栅的进口气流条件。因此,有效的控制二次流和角区分离对提高压气机性能有重要意义。本文基于RANS数值方法研究了尾缘锯齿结构对于高速扩压叶栅气动性能影响的作用,深入分析了尾缘锯齿结构作为被动流动控制的作用机理,并给出了锯齿结构三个参数(锯齿顶角φ,弦长λ/H及展向位置h/H)对于本文所用高速扩压叶栅气动性能的影响规律,并给出最优化锯齿参数组合。同时,为验证尾缘锯齿结构在变工况下的适用范围,进而选取最优锯齿参数组合的尾缘锯齿结构叶栅进行非设计工况数值计算,以验证该流动控制手段的适用性。由于锯齿结构的存在而产生的高速射流所带来的动量注入,以及锯齿射流旋涡所引起的动量交换,叶栅角区低能流体被注入了新的能量。这使得集中脱落涡、尾缘脱落涡和叶栅流道后尾迹掺混都得以削弱。同时,位于恰当位置的尾缘锯齿结构,可以阻挡部分来自相邻叶片压力面横向迁移的气流,并对低能流体的径向迁移起到一定的阻断作用。与原型叶栅相比,采用尾缘锯齿结构后,尾迹损失大幅降低,静压系数有所提升,但出口气流角有略微减小。而尾缘锯齿结构的三个关键参数(锯齿顶角φ,弦长λ/H及展向位置h/H)则是影响锯齿结构控制叶栅气动性能的主要因素,根据本文的研究结果,当采用顶角φ=45°,弦长λ/H=12.5%的锯齿结构位于距离端壁h/H=12.5%叶高位置(正对角区低能流体的核心位置)可以使得叶栅总压损失系数降低达到8.9%,静压系数提升2.2%,但出口气流角则减小了0.93°。对于最优参数组合(φ=45o,h/H=12.5%,λ/H=12.5%)的尾缘锯齿叶栅,分别从变攻角和变来流马赫数两种不同的非设计工况形式对尾缘锯齿结构影响叶栅气动性能的机理进行了进一步的分析。结果表明尾缘锯齿结构有良好的适应性,可以在较大攻角变化范围及较大来流马赫数变化范围内提升叶栅气动性能。当来流马赫数为Ma=0.5时,最多可以使得叶栅总压损失系数下降9.3%。因此,作为一种被动流动控制手段,尾缘锯齿结构有较强的适用性和应用前景。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V232
【部分图文】：
图 1-1 猫头鹰的初级飞羽[11]通过学者们的长期观察与研究，人们对猫头鹰在数百万年的进化过程来的噪音抑制装置已经有所了解。Graham[10]观察到猫头鹰羽毛（图 11-2[11]）与其他鸟类羽毛的三个不同之处：1）初级飞羽前缘的梳状/锯；2）初级飞羽尾缘的流苏形状；以及 3）覆盖羽毛表面的绒毛。他认些特征使得猫头鹰获得静音飞行的本领。Lilley[12]的工作表明，谷仓羽尾缘上的锯齿结构所产生的尾缘不连续性减弱了声音的散射，并促压力面和吸力面边界层之间的混合，致使宽频噪音降低了 6-7dB。在鹰身上，锯齿结构用作一种被动流动控制机理用来控制羽翼末梢的空通过制造小的扰动并沿弦向方向在翅膀上传播，流动分离可以被推迟攻角，同时飞行升力得以提高，而由翅膀产生的噪音却因此减小。飞锯齿结构所产生保持翅膀稳定的作用要大于减噪作用，而飞羽尾缘的则会为鸮类静音飞行产生更大的贡献。Lilley 还指出，谷仓猫头鹰初缘的锯齿结构相对于减少噪音，更多的功能是用于保持猫头鹰飞行的
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文/ η 是 Kolmogorov 长度尺度，其定义为流体中湍流旋涡的最小长度尺 是湍动能耗散率。Lilley 还观测到，谷仓猫头鹰飞羽尾缘的流苏结构羽羽翼下方域移动而与相邻飞羽合并，而且绒毛表面和尾缘流苏结构解成较小的结构，并相互作用。
图 1-3 仓鸮羽毛（A-E）与鸽子羽毛（F-J）的细节对比Bachmann 和 Wagner[15]对仓鸮羽翼的锯齿进行了定量分析及研究，对比锯齿形状的弧长、宽度、曲率及与自由来流有关的角度。该研究发现，在这参数变化中，有许多的变化趋势与它们的展向位置有关，这可能表明前缘和缘被动控制的最佳设计同时取决于弦向长度与展向长度，并可能遵循一个特的分布。其研究发现锯齿结构的弧长从根部到尖端不断增长，到 60%展向位以后又向尖端方向急剧下降，曲率也有类似的趋势。同时，锯齿结构与自由流间的角度从 0%展向位置的 70 度变为尖端的 148 度，近似接近抛物型分布Kroeger[16]等人通过鸮类翅膀的风洞试验，采用流场可视化技术，观察了气经过翅膀表面的流场并探讨了湍流边界层在柔性表面的衰减。他们重点考察前缘锯齿的抑声作用，认为前缘锯齿起着涡流发生器(vortex generator)的用，同前缘缝翼(leading edge slot)与翼尖羽毛(tip feather)协同促进附面层流羽翼表面，抑制边界层噪声的产生。图 1-4 展示了 Kroeger 等对未移除锯齿缘与移除锯齿前缘的鸮翼表面的边界层流线形式的对比。
【参考文献】
本文编号：2874922
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V232
【部分图文】：
图 1-1 猫头鹰的初级飞羽[11]通过学者们的长期观察与研究，人们对猫头鹰在数百万年的进化过程来的噪音抑制装置已经有所了解。Graham[10]观察到猫头鹰羽毛（图 11-2[11]）与其他鸟类羽毛的三个不同之处：1）初级飞羽前缘的梳状/锯；2）初级飞羽尾缘的流苏形状；以及 3）覆盖羽毛表面的绒毛。他认些特征使得猫头鹰获得静音飞行的本领。Lilley[12]的工作表明，谷仓羽尾缘上的锯齿结构所产生的尾缘不连续性减弱了声音的散射，并促压力面和吸力面边界层之间的混合，致使宽频噪音降低了 6-7dB。在鹰身上，锯齿结构用作一种被动流动控制机理用来控制羽翼末梢的空通过制造小的扰动并沿弦向方向在翅膀上传播，流动分离可以被推迟攻角，同时飞行升力得以提高，而由翅膀产生的噪音却因此减小。飞锯齿结构所产生保持翅膀稳定的作用要大于减噪作用，而飞羽尾缘的则会为鸮类静音飞行产生更大的贡献。Lilley 还指出，谷仓猫头鹰初缘的锯齿结构相对于减少噪音，更多的功能是用于保持猫头鹰飞行的
哈尔滨工业大学工程硕士学位论文/ η 是 Kolmogorov 长度尺度，其定义为流体中湍流旋涡的最小长度尺 是湍动能耗散率。Lilley 还观测到，谷仓猫头鹰飞羽尾缘的流苏结构羽羽翼下方域移动而与相邻飞羽合并，而且绒毛表面和尾缘流苏结构解成较小的结构，并相互作用。
图 1-3 仓鸮羽毛（A-E）与鸽子羽毛（F-J）的细节对比Bachmann 和 Wagner[15]对仓鸮羽翼的锯齿进行了定量分析及研究，对比锯齿形状的弧长、宽度、曲率及与自由来流有关的角度。该研究发现，在这参数变化中，有许多的变化趋势与它们的展向位置有关，这可能表明前缘和缘被动控制的最佳设计同时取决于弦向长度与展向长度，并可能遵循一个特的分布。其研究发现锯齿结构的弧长从根部到尖端不断增长，到 60%展向位以后又向尖端方向急剧下降，曲率也有类似的趋势。同时，锯齿结构与自由流间的角度从 0%展向位置的 70 度变为尖端的 148 度，近似接近抛物型分布Kroeger[16]等人通过鸮类翅膀的风洞试验，采用流场可视化技术，观察了气经过翅膀表面的流场并探讨了湍流边界层在柔性表面的衰减。他们重点考察前缘锯齿的抑声作用，认为前缘锯齿起着涡流发生器(vortex generator)的用，同前缘缝翼(leading edge slot)与翼尖羽毛(tip feather)协同促进附面层流羽翼表面，抑制边界层噪声的产生。图 1-4 展示了 Kroeger 等对未移除锯齿缘与移除锯齿前缘的鸮翼表面的边界层流线形式的对比。
【参考文献】
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1 仝帆;乔渭阳;王良锋;纪良;王勋年;;仿生学翼型尾缘锯齿降噪机理[J];航空学报;2015年09期
2 张海灯;吴云;李应红;赵勤;;高速压气机叶栅旋涡结构及其流动损失研究[J];航空学报;2014年09期
3 张学迅;赵晓路;徐建中;;锯齿尾缘对翼型气动性能影响的数值模拟研究[J];工程热物理学报;2013年05期
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1 陈坤;三种鸮形态学、飞行运动学特征规律及其仿生研究[D];吉林大学;2012年
本文编号：2874922
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/hangkongsky/2874922.html
