低压涡轮叶片表面边界层流动特性研究

发布时间：2017-09-21 18:08

  本文关键词：低压涡轮叶片表面边界层流动特性研究

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【摘要】：低压涡轮在航空发动机中占有重要地位,其效率的高低直接影响着整个发动机的性能。随着航空发动机性能的不断提高,对低压涡轮提出了更高的要求,为此发展高负荷低压涡轮叶片,提高叶片效率成为了当今航空发动机发展的必要趋势。由于低压涡轮工作雷诺数较低,随着叶片负荷的增加,叶片表面边界层极易发生分离、转捩及再附着等现象,从而会导致叶片效率降低,进而使得整个发动机性能恶化。为此对低压涡轮叶片表面边界层的流动特性研究具有非常重要的意义。本文首先研究了定常来流条件下来流湍动度、来流攻角及雷诺数对现有的T106A叶片表面边界层发展转捩过程的影响,通过研究发现来流湍动度是影响边界层流动特性的重要参数。当来流湍动度高于4%时,叶片表面边界层主要发生自然转捩或者旁路转捩过程过程并不会产生边界层分离现象,当来流湍动度低于3%时边界层主要发生分离转捩过程并且会产生明显的边界层分离现象。来流攻角则主要影响叶片前缘边界层流动特性,而雷诺数则会显著的影响叶片尾部区吸力侧边界层的流动特性,当流动雷诺数低于26000,边界层会发生严重的开式分离,会极大的降低了叶片效率。在周期性尾迹的非常来流条件下,研究了尾迹在叶栅流道中的整个输运过程,分析了尾迹在输运过程中形状变化及再定向过程。通过分析叶片尾部吸力侧边界层区域的流线、涡量及速度大小等参数随着时间的变化情况,可以认为在叶片尾部区域吸力侧的分离泡会随着尾迹的向下游移动周期性的产生与消失。通过刻画三个尾迹扫掠周期中的吸力侧边界层的位移厚度、动量厚度及形状因子等参数的时空变化云图来分析了尾迹对边界层的影响过程,并认为尾迹之后的寂静区的“Calming”效应对抑制边界层的分离起到了重要的作用。运用了耗散函数来分析了叶栅流道中局部损失分布规律,并发现在叶片前缘近壁区、叶片尾部吸力侧分离区与主流交界处及叶栅尾迹区域都存在有很大的速度梯度,属于高能量耗散区域,而分离泡内的回流区的速度梯度相对较小,仅为低速流体的聚集区,而非能量损失的来源。在不同雷诺数下研究了尾迹抑制边界层分离的作用机理,发现流动雷诺数越低,尾迹对叶片性能提升效果越明显,当流动雷诺数为26000时,叶片时均效率较无尾迹时提高了1.1%,极大的提高了叶片工作性能的稳定性。尾迹对边界层的抑制机理为高负荷叶片的设计提供了重要的参考。本文还研究了涡流发生器对边界层的流动控制机理,通过设计了三种不同振幅、不同波数及不同位置的涡流发生器来研究对叶片吸力侧边界层的控制效果。最终研究表明涡流发生器可以加速边界层的转捩过程,通过涡流发生器中的旋涡的卷吸作用将主流中的高能流体注入到边界层内部,从而提升了边界层流体的动量,极大的抑制住了边界层的分离。并且还发现涡流发生器的振幅变化对控制边界层的效果最为明显。在较高流动雷诺数条件下,涡流发生器会增加叶片流动损失,降低叶片效率,而在较低流动雷诺数条件下,涡流发生器则会减少吸力侧分离泡大小,较为明显的提升叶片效率。
【关键词】：低压涡轮 低雷诺数 边界层转捩 周期性尾迹 流动控制
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V231
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-34
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 低压涡轮的特点12-18
• 1.3 定常流动18-26
• 1.3.1 边界层的转捩18-24
• 1.3.2 湍流斑24-26
• 1.4 非定常流动26-31
• 1.4.1 尾迹与边界层之间的相互关系26-29
• 1.4.2 尾迹在低压涡轮通道内的输运特性29-30
• 1.4.3 尾迹诱导边界层转捩30-31
• 1.5 边界层的流动控制31-32
• 1.5.4 主动控制31
• 1.5.5 被动控制31-32
• 1.6 本文研究的主要内容和目的32-34
• 第2章 数值方法及实验验证34-53
• 2.1 引言34
• 2.2 湍流模型34-37
• 2.2.1 一方程模型34
• 2.2.2 两方程模型34-36
• 2.2.3 SST模型36-37
• 2.3 转捩模型37-43
• 2.3.1 γ-θ 转捩模型38-41
• 2.3.2 一方程 γ 转捩模型41-43
• 2.4 数值验证及转捩模型选择43-51
• 2.4.1 平板数值模拟43-46
• 2.4.2 T106A叶片数值模拟验证46-51
• 2.5 本章小结51-53
• 第3章 定常来流下T106A叶片表面流动特性研究53-65
• 3.1 引言53
• 3.2 不同湍动度下的T106A叶片边界层流动特性分析53-58
• 3.2.1 不同湍动度数值模拟方案53
• 3.2.2 不同湍动度数值模拟结果分析53-58
• 3.3 不同攻角下的T106A叶片边界层流动特性分析58-61
• 3.3.1 不同攻角数值模拟方案58-59
• 3.3.2 不同攻角数值模拟结果分析59-61
• 3.4 不同雷诺数下的T106A叶片边界层流动特性分析61-63
• 3.4.1 不同流动雷诺数数值模拟方案61
• 3.4.2 不同流动雷诺数数值模拟结果分析61-63
• 3.5 本章小结63-65
• 第4章 非定常尾迹下边界层流动特性研究65-113
• 4.1 引言65-66
• 4.2 非定常尾迹条件下的研究方法66-69
• 4.2.1 几何模型网格划分66-67
• 4.2.2 边界条件设置67-69
• 4.3 实验工况条件下尾迹作用下叶片边界层流动分析69-97
• 4.3.1 尾迹在叶栅流道中的输运过程69-75
• 4.3.2 尾迹对吸力侧扩压段局部流场的影响75-80
• 4.3.3 尾迹干扰下叶片吸力侧边界层内流动定量分析80-94
• 4.3.4 尾迹对叶栅流道内流动损失的影响94-97
• 4.4 不同雷诺数下尾迹对吸力侧边界层内流动的影响97-110
• 4.4.1 定常与非定常模拟时均化结果比较97-102
• 4.4.2 叶片尾部区边界层流场参数演化102-110
• 4.5 本章小结110-113
• 第5章 基于旋涡扰动的边界层流动控制机理研究113-142
• 5.1 引言113
• 5.2 叶片几何模型、网格划分、网格无关性验证113-116
• 5.3 不同涡流发生器叶栅流道内流动特性分析116-140
• 5.3.1 振幅A对叶片边界层流动特性分析117-126
• 5.3.2 波数N对叶片边界层流动特性分析126-133
• 5.3.3 位置L对叶片边界层流动特性分析133-140
• 5.4 本章小结140-142
• 结论142-145
• 参考文献145-153
• 致谢153

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本文编号：896066