基于CDA叶型的压气机静叶栅三维角区分离数值模拟与实验研究

发布时间：2016-11-26 07:28

第一章绪论

压气机内部流动存在强逆压梯度,常伴随有流动分离、二次流、转披以及激波等复杂流动结构,包含有多种不可逆损失。对于压气机静叶而言,叶型损失与端区损失是两种主要的损失来源。要减小叶型损失就需要采用更为先进的叶型,可控扩散叶型(controlleddiffusionairfoil,CDA)就是其中一种,它具有高负荷、大攻角范围且叶表附面层不易分离等特点口。相比于常规叶型,CDA叶型具有更大负荷和更宽的低损失攻角范围P1,如图^3所示。CDA叶型已经在压气机叶片中广泛使用[4]。相比于其他传统叶型,CDA叶型拥有较低的叶型损失己经得到国内外学者认可,但目前基于CDA叶型的压气机叶片端区流动及损失特性的研究仍然不够充分,仍需要进一步开展相关的研究工作。吸力面与轮穀相交处的角区分离是压气机静叶端区损失主要来源之一以,如图1-4,尤其是在非设计工况下,角区分离常会造成通道堵塞,损失增加,载荷下降,严重限制了压气机性能的提升。自从20世纪80年代Dring以等人发现压气机转子角区分离后,引发了国内外很多学者对此展开了研究。得出角区分离产生的主要原因有:(1)强逆压梯度;(2)通道二次流;(3)端壁和叶片表面边界层交汇;(4)叶片前缘马蹄锅等。

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第二章实验方案与数值模拟方法

2.1实验方案介绍

平面叶栅实验是研究叶轮机械叶片流道内部流动最基本的研究方法,实验中采用等安装角等稠度的相同直列叶栅,不存在端壁与叶片间的相对运动、旋转流体中的力、端壁曲率造成的离心力,且测量方便、成本较低,可以提供详实的内部流动信息,常被应用于压气机叶顶泄漏流、角区分离等复杂三维流动特性的研究,对压气机、透平叶片的设计发展起到非常重要的作用。本文的实验部分采用中国科学院工程热物理研究所低速平面叶栅风洞。最初该风洞为跨声速设计,后增加连续式气源方便低速实验研究,并开展如吸附式压气机叶栅实验、叶片吸力面附面层特性研究[42]、表面粗禮度影响[43]等一系列足气机相关实验研究。

2.2数值模拟方案介绍

本文研究对象是压气机平面叶栅,需要关注的性能参数主要是叶栅总压损失系数等,流场结构中主要关注角区分离结构和叶栅表面边界层转扳现象。因此在选择端流模型时也着重对比这些参数与实验结果的差异。前期选取了5种不同的端流模型分别对叶栅-5.6d巧攻角下的损失和流场结构进行了数值模拟,包括k-e模型、带转换模型和不带转扳模型的SSTk-o)模型、带转扳模型和不带转扳模型。网格数2048543,y+约为1。进口给定实验所测的速度边界层,出口为大气压。并将数值计算结果与实验进行了对比。如图2-9所示,给出了叶栅吸力面表面极限流线和栅盾测量截面叶中(mid-span)及全截面(all-span)总压损失系数质量平均值与实验的对比结果。

第三章CDA叶型平面叶栅整体性能数值模拟与实验研究....29

3.1总压损失系数....29
3.2叶片表面压力分布....31
3.3栅后气流参数展向分布....32
3.4流场结构....33
3.5本章小结....37
第四章CDA叶型平面叶栅角区分离若干影响因素的数值研究....38
4.1攻角的影响....39
4.2端流度的影响....42
4.3马赫数/雷诺数的影响....44
4.4进口边界层的影响....45
4.5叶栅端部倒角的影响....45
4.6小结....50
第五章总结和展望....53
5.1总结....53
5.2创新之处....55

5.3展望.......55

第四章CDA叶型平面叶栅角区分离若干影响因素的数值研究

4.1攻角的影响

在平面叶栅实验中通过调节转盘可以改变叶栅来流攻角,并且通常情况下会保证实验段进口来流马赫数或速度保持不变,因此攻角改变实际等同于气流轴向速度的改变,在几何不变的前提下,也就等同于叶栅通道内流量的改变。故攻角从负值逐渐増大至正值的过程可以类比于真实压气机中的节流过程。同理,在实际压气机中,静叶的攻角(或进气角)取决于上排转子的出气角,在进口流量不断减小时,转子会发生旋转失速,导致转子出气角增大,进而使得下一排静叶的进气攻角也会增加。本文在第三章中着重分析了王类典型工况下角区分离的流场结构,为了分析角区分离随攻角连续变化的过程,如图4-1所示给出了攻角-20.6deg+2.4deg之间每隔l.Odeg攻角所有工况下吸力面表面极限流线,从左到右攻角依次增加。

4.2端流度的影响

在平面叶栅实验中,由于进口不进行特殊处理时,来流端流度一般较低,约1.0%左右。但在实际压气机中,由于转子尾迹的存在,静叶进口的瑞流度较高,平均瑞流度约3.0%,甚至更高。为了探究端流度对压气机角区分离的影响,本文选取了1.5%、2.0%、3.0%、5.0、7.0%和10.0%六组进口端流度值对叶栅-5.6deg攻角工况进行了数值计算。由于CFX软件在求解时进口段揣流度值存在衰减,如图4-4所示给出了进口瑞流度(Tujnlet)和叶片前缘端流度(Tu_LE)的关系,其中叶片前缘端流度值取距前缘50%Cax截面50%叶高处端流度周向平均值。从图中可以看出,Tujnlet和TuJLE具有良好的线性关系,线性拟合公式如图。
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第五章总结和展望

5.1总结

角区分离是压气机中普遍存在的流动结构,常发生在吸为面与端壁相交处,会随着进口来流攻角增大而増大,严重时会发展成为角区失速,表现为吸力面和端壁均出现大范围回流结构,造成更大的损失和堵塞。为了有效的控制和减小压气机角区分离,就需要更深入的认识其内在的流动机理和影响因素。平面叶栅实验是研究压气机角区分离最基本的研究方法,具有成本低、测量便捷等优势。另外,CFD数值模拟技术也是研究压气化角区分离的最常用的手段之一,目前在叶轮机械领域的数值计算仍主要采用RANS方法,它可以较好的模巧角区分离流场结构,但精度以及对流场细节的捕捉仍有待提离。叶片表面边界层转换现象始终存在,在叶栅实验环境下常表现为分离泡转扳形式,一定程度上会对叶栅表面压力分布以及角区分离产生影响,但采用传统的全瑞流RANS模型很难捕捉到它的存在

5.2创新之处

1、研究中采用了较宽的来流攻角范围,在实验中采用油流法记录了不同攻角下CDA叶型平面叶栅吸力面流动图谱,可以清楚的思示叶栅表面角区分离以及层流分离泡结构。2、采用数值计算分析了CDA叶型卒面叶栅端部倒角结构对角区分离的影响,并发现适当增大倒角半径可以减弱压气机角区分离,并解释了其中的流动机理。

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参考文献（略）

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本文编号：193932