低速轴流压气机中流动分离的定常与非定常控制研究

发布时间：2020-09-17 12:56

　　分离流动是一类复杂的流体流动现象,普遍存在于航空、航天、流体机械等各类实际工程问题中,其本质源于粘性流动和非粘性流动的相互作用。闭式流动分离和再附伴随着较大的能量损失,对流体机械的性能影响很大,分离结构的控制已经成为流体机械工程中的一个研究重点。本文围绕轴流机械中流动分离及其相关问题,从定常的角度讨论轴流机械中角区分离的产生机理与控制手段,同时从非定常的角度通过一些新的视角研究并寻求流动分离控制、降低损失的途径,以挖掘低速轴流压气机/大型轴流风机中的性能潜力。通过三维雷诺时均N-S(RANS)方程对轴流叶栅进行定常计算,计算结果与实验结果的比较,揭示了无叶顶间隙单流道叶栅中节点数和鞍点数相等的关系式;通过分析端壁边界层中低能流体类似于分层的运动,深入说明了周向压力梯度和流向逆压梯度作用下,端壁边界层朝吸力面的偏转及其逆流向翻转是角区三维分离形成的基本原因。研究比较了进口有无边界层条件下的极限流线、出口总压损失分布、吸力面尾缘位移厚度以及不同来流冲角时的分离尺度和相应的流谱结构,结果揭示了端壁边界层朝角区的堆积是三维分离的决定性因素。通过后置导叶单级轴流压气机在不同速度剖面来流条件下的流场计算,研究了进口速度分布对压气机性能的影响,揭示了速度分布、边界层厚度等沿流向的变化规律,通过与实验数据的对比,考察并确认了所用计算方法用于边界层相关问题计算的精度。文中在轴流叶栅弦向开缝改善吸力面分离的问题所作的研究,例如对回气点、吸气点以及开缝的位置、高度等参数进行的比较分析,为控制吸力面边界层堆积、降低分离损失提供了的较好控制手段。针对端壁低能流体向吸力面的堆积路径,进行了吸力面、端壁定流量抽吸的分析计算,结果表明,适当位置上很小的抽吸量就可能消除掉大部分明显的三维分离,其积极作用包括总压损失和端壁阻塞的显著降低、叶片载荷和出口静压的增加以及更加均匀的出口流动。对带有前后导叶和复杂形状进气箱的大型燃煤电站用轴流引风机进行的全三维数值计算与分析表明,进气箱中复杂的几何形状和轴套结构增大了流动的不稳定性和损失,并引起了下游流动的周向不均匀性。文中对比了不同的预旋方案对做功能力以及损失的影响。提出并尝试了串列叶片及其后叶片周向调节替代动叶可调开度调节的方案,结果表明,在远离设计流量工况下,虽然压升有所下降,但增强了运行稳定性和提高了效率,为进一步地研究提供了有价值的初步效果。采用大涡模拟方法对前缘分离拟序结构的问题进行了研究,提出并探索通过合理的来流周期性作用来控制分离区域的大小。文中通过分析倾斜平板前缘自由剪切层的演变过程,研究并比较了三种可视化形式在带壁面自由剪切层中的不同表现,发现Q准则更适合显示来流扰动作用下的拟序结构及其随时间的演变过程。论文从时均性能、拟序结构以及非定常频谱等方面描述了不同频率、不同振荡幅度以及不同进口速度剖面的周期性来流条件对前缘分离结构的控制效果。为挖掘轴流压气机中的非定常潜力,文中研究了上游叶排的非定常尾迹对下游叶排中分离结构的影响机制。二维计算发现,合理的激励参数加大了叶栅内部气流转折程度,栅后气流流向更趋合理。合理的非定常激励可以促进流动中杂涡之间的归并,从而有效地控制分离流由无序变为有序,且文中从流场进化、降噪的角度作了分析与设想。在三维计算中对比了尾迹生成器朝两个不同方向运动的作用效果。不同频率的研究表明,对应于f_(shed)和f_(shear)的外部频率强化了分离剪切层中的K-H展向涡结构,并且流向涡与流向的夹角更加明显,其它频率作用下该结构并不明显。最后,研究了进口随机小尺度脉动条件下的分离拟序结构以及时均性能的改善。
【学位单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2008
【中图分类】：TH45
【部分图文】：

网格图,网格图,计算域,分离线

展中鞍欺结点分离线………………………… {{{……渺渺啼啼缘线图2一3吸力面极限流线:实验值沙’l和计算值(下图)图2一3中显示了CFD计算结果与表面绒毛可视化实验结果的对比，分离线(极限流

极限流线,吸力面,实验值,计算值

华中科技大学博士学位论文图2一2计算域与网格图2.4叶栅角区分离的形成与特征2.4.1计算和实验结果的对比尾缘线展中鞍欺结点分离线………………………… {{{……渺渺啼啼缘线图2一3吸力面极限流线:实验值沙’l和计算值(下图)图2一3中显示了CFD计算结果与表面绒毛可视化实验结果的对比，分离线(极限流

拓扑结构图,极限流线,拓扑结构,壁面

一一+一 0.30sPannn对CX图2一4不同展向处型面压力系数分布图2一4给出了不同展向位置处吸力面和压力面上的静压系数分布。压力面分布基本一致，表明其流动结构比较顺畅，边界层自由发展，无端壁低能流体沿展向的堆积产生。吸力面上的分布差别明显，在7.5%翼展高度位置，吸力面后半段的静压系数出现明显的水平分布，这是流动分离的标识，这和图2一3所示的拓扑结构所反映的情形是一致的。更高的展向位置，吸力面系数分布逐渐变得单调递增并无回流结构产生。2.4.2表面奇点和拓扑规贝lJ的应用图2一5为吸力面和端壁上的极限流线，可以看到，端壁边界层被前缘线切割成前缘马蹄涡两支，其出现伴随着前缘线分离结构的鞍点和结点(Sl

【参考文献】