轴流压气机角区分离流动损失机理及流动控制策略研究

发布时间：2017-09-28 11:00

  本文关键词：轴流压气机角区分离流动损失机理及流动控制策略研究

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【摘要】：作为压气机内部一种特有的流动失稳现象,三维角区分离是未来高性能航空发动机高负荷压气机设计中最重要的影响因素之一,从而制约着压气机性能的进一步提高。为了提高对三维角区分离现象流动机理及相关流动损失控制技术的认识水平,本文围绕航空轴流压气机中三维角区分离现象,开展了压气机三维角区分离现象的物理机理、三维角区分离形成过程中所存在的边界层流动转捩现象流动物理机制和三维角区分离流动控制技术等三个方面的研究工作。论文的主要研究工作和贡献如下:(1)高性能压气机叶片三维角区分离现象的物理机理研究。本文对压气机三维角区分离现象的形成发展机制进行了详细的数值模拟研究,对压气机叶栅通道端壁二次流结构进行了更为完善的拓扑分析,揭示了压气机三维角区分离的形成机制:压气机叶片前缘涡系结构来源于来流边界层的分层现象;集中脱落涡来源于前缘角涡吸力面分支;前缘马蹄涡吸力面分支和相邻叶片的压力面分支在叶片通道中汇合,并卷吸来流端壁边界层从而形成通道马蹄涡;通道马蹄涡在通道涡的横向压力梯度的作用下,向叶片吸力面尾缘/端壁所在角区堆积、并卷吸角区回流,就形成了压气机叶栅三维角区分离。其中,角区回流与通道马蹄涡作用所形成的三维角区分离起始涡,是影响三维角区分离现象发生、发展的主要驱动因素。(2)论文分析了影响三维角区分离形成发展的各种因素,发现前缘马蹄涡向通道马蹄涡衍化的过程是形成三维角区分离的直观因素,而叶片通道中的逆压梯度和横向压力梯度则是产生三维角区分离现象的根本原因;基于此,论文发展完善了判别三维角区分离/失速大小的新判据,并分析了来流攻角和进口边界层厚度对三维角区分离新判据的影响规律。(3)论文首次深入地探索研究了压气机三维角区分离过程中边界层存在的三种流动转捩现象:叶片吸力面层流-湍流分离转捩、旁路转捩和逆转捩,揭示了三种边界层转捩机制对压气机三维角区分离发生、发展的影响机理:逆转捩的发生决定着三维角区分离起始的位置;虽然分离转捩和旁路转捩会影响到三维角区的发展和径向范围,但是,就其本质而言,这两种转捩的存在与否,并不影响三维角区分离/失速的发生。通过对转捩模型、来流湍流度水平和湍流长度尺度的研究,论文总结分析了各参数对于边界层转捩数值预测的影响和对三维角区分离的影响规律,归纳出了可以指导高性能压气机叶片流动控制的相关结论。(4)论文对高性能压气机叶片三维角区分离现象的流动控制方案进行了系统的数值模拟研究,分别研究了端壁单槽吸气法的轴向、周向开槽位置、吸气流量率、吸气槽大小,端壁分段吸气法吸气槽位置设计和吸气流量率,叶片吸力面吸气法轴向开槽位置、吸气槽长宽比和吸气流量率,以及端壁角区开槽射流法射流角和射流流量率对三维角区分离的控制规律,给出了可以指导工程应用的、更加完善的流动控制方案参数化设计准则。基于此,论文对四种流动控制方案控制效果和控制机理进行了对比,得到了适于本文压气机三维角区分离及其损失抑制的最佳流动控制方案:端壁单槽MTE吸气和吸力面SS3吸气。在此基础上,论文对最优流动控制方案——端壁单槽吸气MTE进行了详细的实验研究,论证了针对流动控制技术的数值模拟方法的可靠性;对正负攻角下压气机叶栅性能参数随MTE吸气的变化规律进行实验研究,分析了真实实验条件下MTE吸气槽对压气机叶栅角区流动的改善和对压气机叶栅气动性能的提升。
【关键词】：压气机三维角区分离 边界层转捩 端壁单槽吸气 端壁分段吸气 吸力面边界层吸气 端壁角区射流 MTE吸气槽
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V233
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 绪论12-48
• 1.1 研究工作背景12-14
• 1.1.1 高负荷压气机是未来高性能航空发动机的重要发展方向12-13
• 1.1.2 角区分离是高负荷压气机内部特有的一种重要流动现象13
• 1.1.3 压气机三维角区分离现象带来的危害13-14
• 1.2 压气机三维角区分离/失速物理机制研究评述14-28
• 1.2.1 压气机三维角区分离流动物理机制研究进展14-16
• 1.2.2 压气机三维角区分离/失速流动拓扑结构的研究进展16-25
• 1.2.3 压气机三维角区分离对旋转失速影响的研究进展25-26
• 1.2.4 压气机三维角区分离/失速影响因素研究进展26-28
• 1.3 压气机三维角区分离/失速相关经验判据研究评述28-38
• 1.3.1 de Haller数DH29-30
• 1.3.2 Lieblein的扩散因子DF30-31
• 1.3.3 Lei的扩散系数D和失速指数S31-34
• 1.3.4 Yu的失速指数Sw和修正耗散因子Dm34-36
• 1.3.5 Gbadebo的相对位移厚度36-37
• 1.3.6 Dring的堵塞因子K和Khalid的阻塞因子Z37-38
• 1.4 压气机三维角区分离/失速控制技术研究进展38-44
• 1.4.1 边界层吸气39-41
• 1.4.2 边界层吹气（射流）41-44
• 1.5 本文的研究工作44-48
• 1.5.1 研究目的44-45
• 1.5.2 论文内容及组织结构45-48
• 第二章 数值模拟与叶栅实验方法48-68
• 2.1 引言48-50
• 2.1.1 叶轮机内流研究方法的发展48
• 2.1.2 轴流压气机流动数值模拟方法概述48-50
• 2.2 湍流大涡模拟方法50-52
• 2.2.1 湍流场Navier-Stokes方程50-51
• 2.2.2 大涡模拟控制方程51
• 2.2.3 亚格子应力模型——WALE模型51-52
• 2.3 耦合转捩模型的非定常雷诺平均（URANS）方法52-63
• 2.3.1 URANS方法控制方程52-53
• 2.3.2 湍流模型53-59
• 2.3.3 转捩模型59-63
• 2.4 压气机叶栅实验方法63-64
• 2.4.1 高亚音速压气机静子叶栅实验风洞63
• 2.4.2 叶栅实验段和测试方案63-64
• 2.5 数据分析方法64-66
• 2.6 本章小结66-68
• 第三章 压气机叶栅三维角区分离流动机理研究68-98
• 3.1 RANS方法数值模型68-70
• 3.1.1 研究对象68
• 3.1.2 算例设置68-69
• 3.1.3 计算域、网格及边界条件设置69
• 3.1.4 求解设置69-70
• 3.2 压气机叶栅角区分离机理的数值及实验研究70-82
• 3.2.1 压气机叶栅气动性能的数值与实验研究结果对比70-72
• 3.2.2 压气机叶栅通道端壁二次流结构的数值模拟研究72-79
• 3.2.3 压气机叶栅通道端壁二次流结构拓扑79-81
• 3.2.4 压气机叶栅三维角区分离流动结构分析81-82
• 3.3 进口边界层厚度影响的数值模拟研究82-87
• 3.3.1 进口边界层厚度的选取82-83
• 3.3.2 进口边界层厚度变化对角区分离的影响83-85
• 3.3.3 进口边界层厚度变化对叶栅气动损失的影响85-87
• 3.4 来流攻角影响的数值模拟研究87-91
• 3.4.1 来流攻角变化对叶栅气动性能的影响87-88
• 3.4.2 来流攻角变化对角区分离的影响88-89
• 3.4.3 来流攻角变化对于叶栅出口气动损失的影响89-91
• 3.5 压气机三维角区分离/失速判据的发展完善91-96
• 3.5.1 压气机三维角区分离/失速新判据91-94
• 3.5.2 三维角区分离/失速判据的讨论分析94-96
• 3.6 本章小结96-98
• 第四章 压气机叶栅三维角区边界层流动转捩机制数值模拟研究98-114
• 4.1 LES方法数值模型98-99
• 4.1.1 研究对象、计算域与计算网格98
• 4.1.2 边界条件设置98-99
• 4.1.3 求解设置99
• 4.2 基于LES方法的压气机叶栅三维角区边界层转捩机制研究99-104
• 4.2.1 叶片表面边界层流动转捩特征数值分析及与实验结果对比99-101
• 4.2.2 三种转捩机制对三维角区分离的影响101-103
• 4.2.3 三种转捩机制的频谱特性103-104
• 4.3 基于耦合转捩模型RANS方法的压气机三维角区边界层转捩机制研究104-106
• 4.3.1 转捩模型的选取104-105
• 4.3.2 压气机三维角区边界层转捩过程的数值分析105-106
• 4.3.3 压气机三维角区边界层转捩对叶栅气动性能的影响106
• 4.4 来流湍流度水平对边界层转捩及三维角区分离的数值预测影响106-109
• 4.4.1 来流湍流度参数设置106-107
• 4.4.2 来流湍流度水平对边界层转捩及角区分离预测影响107-108
• 4.4.3 来流湍流度水平对叶栅气动损失预测影响108-109
• 4.5 湍流长度尺度对边界层转捩及三维角区分离的数值预测影响109-112
• 4.5.1 湍流长度尺度研究参数设置109-110
• 4.5.2 湍流长度尺度对边界层转捩与角区分离的预测影响110-111
• 4.5.3 湍流长度尺度对叶栅气动损失的预测影响111-112
• 4.6 本章小结112-114
• 第五章 压气机叶栅角区分离流动控制数值模拟研究114-162
• 5.1 端壁单槽吸气114-132
• 5.1.1 端壁单槽吸气轴向位置研究114-119
• 5.1.2 端壁单槽吸气周向位置研究119-123
• 5.1.3 端壁吸气槽尺寸研究123-129
• 5.1.4 吸气流量率研究129-132
• 5.2 端壁分段吸气132-136
• 5.2.1 分段吸气槽位置设计132-133
• 5.2.2 分段吸气槽数值模拟方法133
• 5.2.3 端壁边界层分段吸气对压气机叶栅气动性能的影响133-134
• 5.2.4 端壁边界层分段吸气对三维角区分离的控制效果134-136
• 5.3 叶片吸力面边界层吸气136-149
• 5.3.1 吸力面吸气槽轴向开槽位置研究137-141
• 5.3.2 吸力面边界层吸气槽长宽比研究141-145
• 5.3.3 吸力面边界层吸气流量率研究145-149
• 5.4 端壁角区射流149-156
• 5.4.1 端壁角区射流数值模拟方法149
• 5.4.2 端壁角区射流角研究149-152
• 5.4.3 端壁角区射流流量率研究152-156
• 5.5 四种流动控制措施效果对比156-159
• 5.5.1 参与对比的流动控制方案选择156-157
• 5.5.2 各方案对叶栅气动性能的影响对比157
• 5.5.3 各方案对三维角区分离的控制效果对比157-159
• 5.6 本章小结159-162
• 第六章 压气机叶栅角区分离流动控制技术实验研究162-172
• 6.1 基于端壁单槽吸气法的压气机叶栅实验设置162
• 6.2 设计状态下MTE吸气槽吸气流量率对于压气机叶栅性能的影响162-166
• 6.2.1 设计状态下MTE吸气流量率变化对叶栅性能影响的数值与实验对比162-163
• 6.2.2 采用MTE吸气的压气机叶栅性能参数变化的校正方法163-165
• 6.2.3 设计状态下MTE吸气槽对压气机叶栅出口当地气动损失的影响165-166
• 6.3 MTE吸气槽对压气机攻角特性的影响166-170
• 6.3.1 MTE吸气槽对压气机攻角特性影响趋势166-167
• 6.3.2 来流正攻角时MTE吸气槽对压气机叶栅气动性能的影响167-169
• 6.3.3 来流负攻角时MTE吸气槽对压气机叶栅气动性能的影响169-170
• 6.4 本章小结170-172
• 第七章 研究总结和展望172-178
• 7.1 主要研究结论172-176
• 7.2 主要创新点176-177
• 7.3 研究展望177-178
• 参考文献178-188
• 致谢188-190
• 攻读博士学位期间发表的学术论文190-191

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本文编号：935441