合成射流控制压气机叶栅角区分离的机理研究

发布时间：2020-11-11 22:25

　　 角区分离是高负荷压气机中常见的端区复杂流动现象之一,不仅造成流动损失急剧增加,还影响压气机的工作稳定性。在深入理解压气机角区分离物理机制的基础上,提出先进的流动控制技术,对于高负荷压气机的发展具有重要意义。合成射流是一种基于旋涡运动的主动流动控制技术,具有无需气源管道和结构紧凑等独特优势,仅对外界输出功量而输出质量为零的显著特征使其在压气机内流领域极具应用潜力。本文分别以低速和高速压气机叶栅作为研究对象,系统地数值研究了吸力面、端壁缝式和孔式合成射流对叶栅气动性能的影响,揭示了合成射流控制角区分离的作用机制及其变工况适应特性,并对比分析了射流参数对流动控制效果的影响规律。此外,基于涡动力学和拓扑分析理论,分析了压气机叶栅流场的拓扑与旋涡结构,并探讨了旋涡结构与损失之间的关联。首先,系统地研究了吸力面合成射流控制低速和高速叶栅角区分离。研究结果表明,吸力面合成射流能够显著提升叶栅时均气动性能,且具有良好的变工况适应特性,还可以有效改善叶栅时均流动特性。其中,吸力面合成射流控制低速叶栅的作用效果优于高速叶栅。流向动量注入是吸力面合成射流的主要作用机制,流动掺混也起到重要作用。激励频率决定叶栅流场对合成射流的动态响应特性,并影响由其诱导的流动掺混,这是其影响流动控制效果的主要原因。射流动量和射流角度对低速以及高速叶栅气动性能的影响规律一致,随着射流动量的增加和射流角度的减小,流动控制效果逐渐提升。然而,射流位置对低速和高速叶栅的影响规律不同,对低速叶栅时均气动性能的影响较弱,而高速叶栅的时均气动性能随着射流位置向下游移动而不断提升。此外,局部叶高合成射流的作用效果与全叶高方案大致相当,但前者的控制效率更高。其次,还系统地研究了端壁合成射流控制低速和高速叶栅角区分离。研究结果表明,端壁合成射流也能够明显提升叶栅时均气动性能,变工况条件下的作用效果也较为突出,其中端壁缝式合成射流改善低速叶栅的作用效果优于高速叶栅。然而,其对叶栅时均流动特性的影响较弱,仅能够小幅推迟射流出口附近的流动分离。流向动量注入和流动掺混是端壁合成射流作用机制中的关键因素,前者在缝式合成射流中占据主导地位,上述两个因素在孔式合成射流中都具有重要的作用。射流动量、射流角度和射流位置对端壁缝式合成射流控制低速及高速叶栅作用效果的影响规律一致,随着射流动量的增加和射流角度的减小,流动控制效果不断增强。射流动量满足“阈值”要求是其取得有效控制效果的前提,且低速叶栅的“阈值”高于高速叶栅;位于吸力面分离线根部起始位置附近的合成射流能够激发附面层中的T-S不稳定性,从而有效增强流动掺混。射流动量对孔式合成射流的影响规律不同于缝式结构,前者存在射流动量最佳值,与流向射流旋涡诱导的掺混损失区有关,这也是其作用机制不同于缝式结构的主要原因。最后,对压气机叶栅流场的拓扑与旋涡结构展开分析。与端壁合成射流相比,吸力面合成射流对叶栅拓扑结构的影响更为突出,其中射流动量、角度和位置对其控制下低速叶栅拓扑结构的影响较为明显,而激励频率和射流位置对其控制下高速叶栅拓扑结构的影响更为显著。合成射流通过控制附面层迁移来改善叶栅流动特性,并影响壁面拓扑形态和通道涡、集中脱落涡等涡系结构的发展。当选取适当的射流参数时,拓扑结构的复杂程度和奇点的数目大幅降低,此时的流动控制效果最为突出。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V232
【部分图文】：

哈尔滨工业大学工学博士学位论文对象，提出了角区三维失速的空间拓扑模型。如图 1-1 所示结构将轮毂附近的低动量流体向吸力面输运，这是轮毂角区要原因。在关于压气机轮毂角区失速流动特征的研究中，L角区失速的形成伴随着壁面分离涡的出现，且随着叶片气动离涡的影响范围不断扩大，并最终改变了端壁流动的拓扑结的形成是角区失速现象的主要特征。Weber 等[23]研究了跨声波/附面层相互干涉诱导的角区失速现象。与其他研究得到上没有出现由压力面流向相邻叶栅吸力面的横流及其诱导的现象，相应地也就没有形成通道涡结构，但尾缘附近的气流壁后部还同时出现了分离线与分离螺旋结点。

第 1 章 绪 论现，增厚的附面层将主流流体卷入附面层内部，阻碍了分离区的扩大，但附面层厚度的增加导致叶栅的气动负荷降低、落后角增大；针对叶尖泄漏流动的研究发现，在一定的间隙尺寸下，泄漏流动能够抑制前缘马蹄涡，并削弱泄漏流动与端壁附面层之间的相互作用，从而控制吸力面流动分离的发展。此外，还研究了表面粗糙度对压气机级气动性能的影响，静叶前缘和吸力面峰值区附近的粗糙度的增加降低了设计点附近的气动性能，由其造成的损失约占总损失的5%。粗糙度的增加还改变了叶片气动负荷分布及来流冲角的有效范围，并造成角区分离提前、轮毂附近的堵塞程度加剧。a) b)

哈尔滨工业大学工学博士学位论文动性能的影响，并分析了涡流发生器的几何外形和位置对控制效果的影响。研究结果表明，在设计工况下，总压损失的最大降幅高达 9%，气流折转能力和失速裕度也都得到了提高。在此基础上，Hergt 进一步将涡流发生器应用于跨声速轴流压气机静叶，使得部分工况点的等熵效率提高了 1%，表明涡流发生器具有在真实压气机环境中应用的潜力。此外，郑覃等[41]、吴培根等[42]、吴艳辉等[43]和李金鸽等[44]的研究也都证实了涡流发生器改善压气机气动性能的潜力，为该技术的应用进行了有益的探索。a) b)
【参考文献】

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本文编号：2879829