上游尾迹对涡轮叶片附面层的影响
发布时间：2021-07-20 17:47
现代大涵道比涡扇发动机采用高负荷或超高负荷低压涡轮叶片设计,提高叶片负荷能够减小涡轮叶片数量,减轻涡轮重量,但会导致叶片附面层易于分离,特别是低压涡轮通常工作在低雷诺数环境下,将导致严重的叶型损失,降低低压涡轮效率。利用低压涡轮转静子相对运动产生的上游尾迹可以控制下游叶片附面层的流动发展。因此深入研究并理解上游尾迹与附面层相互作用的规律,有助于高负荷或超高负荷低压涡轮叶片的设计。采用高负荷叶片设计的低压涡轮叶片吸力面会出现分离泡,分离泡和湍流损失受到分离剪切层转捩的影响。然而尾迹诱导转捩、自然转捩与Klebanoff条纹诱导的不稳定性使得转捩过程十分复杂。本文研究了三种工况下的上游尾迹在高负荷低压涡轮叶片附面层的影响。本文基于PAKB叶型,使用数值模拟方法,并辅以实验,针对上游尾迹对涡轮附面层的影响展开研究。研究主要通过CFX软件进行LES数值模拟,并辅以叶栅实验,针对低压涡轮高负荷叶片设计问题,从以下两个方面展开研究工作:（1）本文将尾迹在叶栅通道内的形态发展划分为尾迹尾部与尾迹中心,分析了上游尾迹对条纹与壁面剪力的影响。尾迹在进入叶栅通道后,尾迹中心不与叶片前缘直接接触,因负射流效...
【文章来源】：中国民航大学天津市
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
叶型损失来源中各项分量所占比重[4]
中国民航大学硕士学位论文4止且基本维持层流，被称为“死水区”[14]。主流流动会受到分离泡的位移效益影响，减小局部流向逆压梯度，这使得分离泡区域的流向逆压梯度可降低至接近0的水平，对应的压力分布将呈现“平台”状。该“平台状”的压力分布始于分离起始位置，并终止于分离泡最大位移厚度处。同时，由于转捩发生，增强壁面的法向动量交换，分离泡厚度与位移效应随流向距离增加而减小，最终分离剪切层于再附点重新附着于壁面，形成闭式分离泡，同时压力分布恢复至附着附面层对应的水平。图1-2经典层流分离泡时均流动结构[13]分离泡的出现将使得低压涡轮叶片的叶型损失增加，而吸力面产生的损失占叶型损失的60%，是叶型损失的主要来源。Howell等[5]的研究表明，吸力面产生的损失主要与吸力面边界层流动分离、转捩、再附等现象有关。Hourmouziadis等[15]的研究表明，分离泡导致的流动损失主要是转捩过程中的流动掺混以及分离泡的尺寸决定的，再附后表征粘性损失的附面层动量厚度随分离泡最大位移厚度的增加而增加。通常层流分离泡分为“长”与“短”两种类型。Owen等[16]以分离泡的物理长度与附面层位移厚度之间的关系进行区分，短分离泡的长度与位移厚度呈100倍关系，而长分离泡则为10000倍。Crabtree[17]和Mayle[6]则认为应当使用分离泡对壁面压力分布的影响程度作为区分长短分离泡的依据。短分离泡位移效应弱，影响局部壁面压力分布，分离泡前后压力分布与与附着附面层压力分布区别不是很大，分离导致的流动损失也较校而长分离泡位移效应强，影响壁面压力分布更为明
中国民航大学硕士学位论文5显，会导致严重的流动损失。因此，尽量长分离泡的出现。1.2.2均匀来流下的附面层转捩转捩是附面层由层流向湍流过渡的过程，是低压涡轮内部流动中一种相当重要的流动现象。转捩大致分为自然转捩、旁路转捩和分离流转捩。下面将对这三种转捩模式进行简单的介绍。自然转捩：平板附着边界层自然转捩的过程如图1-3所示[12]。自由流湍流度（FSTI）很低（FSTI<1%），层流附面层受到小扰动影响，形成二维TS（Tollmien-Schlichting）不稳定波。二维TS波会经历线性放大过程，在向下游运动的过程中因二次不稳定性发生弯曲与变形，并发展为三维波，形成三维流向涡结构（Lambda涡），随后Lambda涡卷起并形成涡环结构。涡环在局部高剪力作用下会破碎形成湍斑。湍斑会不断向四周扩散，并在向下游传播的过程中不断的增长、合并，最后使附面层由层流状态发展为湍流状态。自然转捩的主要特点是转捩过程中能够观测到TS波的形成与线性放大过程。图1-3零压力梯度下平板边界层的自然转捩过程[12]旁路转捩：当高自由流湍流度或叶片表面粗糙度较大时，湍斑不需要经历TS波的线性放大过程就可以直接形成。这种模式缩短了不稳定层流区的长度，使得附面层转捩过程提前。Mayle[6]指出低压涡轮的自由流湍流度一般较高，旁路转捩是低压涡轮内最为常见的转捩模式。Johnson[18]指出自由流湍流度TSTI>1%时
本文编号：3293293
【文章来源】：中国民航大学天津市
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
叶型损失来源中各项分量所占比重[4]
中国民航大学硕士学位论文4止且基本维持层流，被称为“死水区”[14]。主流流动会受到分离泡的位移效益影响，减小局部流向逆压梯度，这使得分离泡区域的流向逆压梯度可降低至接近0的水平，对应的压力分布将呈现“平台”状。该“平台状”的压力分布始于分离起始位置，并终止于分离泡最大位移厚度处。同时，由于转捩发生，增强壁面的法向动量交换，分离泡厚度与位移效应随流向距离增加而减小，最终分离剪切层于再附点重新附着于壁面，形成闭式分离泡，同时压力分布恢复至附着附面层对应的水平。图1-2经典层流分离泡时均流动结构[13]分离泡的出现将使得低压涡轮叶片的叶型损失增加，而吸力面产生的损失占叶型损失的60%，是叶型损失的主要来源。Howell等[5]的研究表明，吸力面产生的损失主要与吸力面边界层流动分离、转捩、再附等现象有关。Hourmouziadis等[15]的研究表明，分离泡导致的流动损失主要是转捩过程中的流动掺混以及分离泡的尺寸决定的，再附后表征粘性损失的附面层动量厚度随分离泡最大位移厚度的增加而增加。通常层流分离泡分为“长”与“短”两种类型。Owen等[16]以分离泡的物理长度与附面层位移厚度之间的关系进行区分，短分离泡的长度与位移厚度呈100倍关系，而长分离泡则为10000倍。Crabtree[17]和Mayle[6]则认为应当使用分离泡对壁面压力分布的影响程度作为区分长短分离泡的依据。短分离泡位移效应弱，影响局部壁面压力分布，分离泡前后压力分布与与附着附面层压力分布区别不是很大，分离导致的流动损失也较校而长分离泡位移效应强，影响壁面压力分布更为明
中国民航大学硕士学位论文5显，会导致严重的流动损失。因此，尽量长分离泡的出现。1.2.2均匀来流下的附面层转捩转捩是附面层由层流向湍流过渡的过程，是低压涡轮内部流动中一种相当重要的流动现象。转捩大致分为自然转捩、旁路转捩和分离流转捩。下面将对这三种转捩模式进行简单的介绍。自然转捩：平板附着边界层自然转捩的过程如图1-3所示[12]。自由流湍流度（FSTI）很低（FSTI<1%），层流附面层受到小扰动影响，形成二维TS（Tollmien-Schlichting）不稳定波。二维TS波会经历线性放大过程，在向下游运动的过程中因二次不稳定性发生弯曲与变形，并发展为三维波，形成三维流向涡结构（Lambda涡），随后Lambda涡卷起并形成涡环结构。涡环在局部高剪力作用下会破碎形成湍斑。湍斑会不断向四周扩散，并在向下游传播的过程中不断的增长、合并，最后使附面层由层流状态发展为湍流状态。自然转捩的主要特点是转捩过程中能够观测到TS波的形成与线性放大过程。图1-3零压力梯度下平板边界层的自然转捩过程[12]旁路转捩：当高自由流湍流度或叶片表面粗糙度较大时，湍斑不需要经历TS波的线性放大过程就可以直接形成。这种模式缩短了不稳定层流区的长度，使得附面层转捩过程提前。Mayle[6]指出低压涡轮的自由流湍流度一般较高，旁路转捩是低压涡轮内最为常见的转捩模式。Johnson[18]指出自由流湍流度TSTI>1%时
本文编号：3293293
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/hangkongsky/3293293.html
