采用葉片彎-掠及附面層抽吸控制擴壓葉柵內(nèi)渦結(jié)構(gòu)的研究.pdf

1、航空渦輪發(fā)動機高推重比的發(fā)展方向?qū)簹鈾C部件性能提出了更高的要求。在影響壓氣機氣動性能的各因素中，附面層流動狀況具有決定作用。因此，研究壓氣機葉柵內(nèi)真實的流場結(jié)構(gòu)和損失產(chǎn)生機理，開發(fā)控制附面層流動的技術(shù)是改善壓氣機性能的關鍵。
　　在壓氣機三維流動中，流動分離和旋渦運動不僅直接影響著葉柵內(nèi)的損失分布和葉柵效率，也影響著壓氣機的穩(wěn)定工作范圍。因此探討擴壓葉柵內(nèi)的分離結(jié)構(gòu)和旋渦模型十分必要。本文在已有實驗結(jié)果的基礎上，通過數(shù)值分析，并

2、應用拓撲學原理，從定常到非定常，從二維葉型到三維矩形葉柵，全面分析了擴壓葉柵內(nèi)流動分離和旋渦運動的規(guī)律。并指出擴壓葉柵內(nèi)通道渦與渦輪葉柵內(nèi)通道渦的本質(zhì)差別：擴壓葉柵內(nèi)通道渦很弱，對流動組織不起主要作用，對擴壓葉柵性能起關鍵作用的是葉片吸力面的集中脫落渦及其與周圍流體的摻混。同時指出，隨著沖角的增加，吸力面上的流動趨于復雜，分離形態(tài)由開式分離向閉式分離轉(zhuǎn)化。最后，獲得了普適性的壓氣機葉柵旋渦模型。
　　在認識擴壓葉柵內(nèi)流動分離結(jié)構(gòu)的

3、基礎上，本文選擇了兩類方法來控制附面層的分離，即采用彎/掠葉片的被動控制方法和采用附面層抽吸的主動控制方法。通過數(shù)值模擬，并采用拓撲分析手段，全面分析了彎/掠葉片在不同幾何條件（彎角、掠角、葉型和折轉(zhuǎn)角）及不同氣動條件（來流沖角）下的作用效果，考察葉片彎/掠與各幾何和氣動參數(shù)之間的依賴關系，總結(jié)彎/掠葉片在各種工況下的作用機理。
　　葉片正彎對壓力面靜壓分布影響不大，主要是改變了吸力面的靜壓分布，不僅形成或者增強了展向“C”型壓力

4、分布，而且對軸向壓力分布也造成影響：增強了中部的逆壓力梯度，減弱了端部的逆壓力梯度。兩種壓力分布的共同作用使得葉片角區(qū)的流動具有由閉式分離向開式分離轉(zhuǎn)化的趨勢，而葉片中部的流動具有由開式分離向閉式分離轉(zhuǎn)化的趨勢。葉片反彎的效果正好相反。葉片前掠則在壓力面和吸力面均形成或者增強了“C”型壓力分布，不僅減弱了壓力面附面層的展向擴張，并且使得吸力面附面層的分離形態(tài)由閉式分離向開式分離轉(zhuǎn)化。
　　在總結(jié)彎/掠葉片作用機理的基礎上，進一步對

5、附面層遷移理論進行了闡述。附面層遷移不僅包括附著渦層的遷移，而且包括自由渦層的遷移，而自由渦層的遷移主要受分離范圍和分離形態(tài)的影響。在擴壓葉柵內(nèi)，自由渦層的遷移尤其是分離形態(tài)的改變對葉柵性能影響很大。
　　為了更好地控制大轉(zhuǎn)角擴壓葉柵內(nèi)的流動分離，對附面層抽吸（BLS）技術(shù)的可行性和控制效果進行了數(shù)值模擬。本文應用拓撲學原理，并通過數(shù)值模擬，分析了附面層抽吸前后流動結(jié)構(gòu)和分離形態(tài)的變化，探討了附面層抽吸控制流動分離，從而降低二次流

6、損失的機理。結(jié)果表明，附面層抽吸可以改變大轉(zhuǎn)角擴壓葉柵內(nèi)的分離結(jié)構(gòu)，尤其是沿葉片展向吸氣時，可以明顯減小吸力面的附面層分離，并且使得分離形態(tài)由閉式分離向開式分離轉(zhuǎn)化，從而流動結(jié)構(gòu)趨于簡單。
　　在葉片吸力面不同位置抽吸都能明顯降低葉柵損失，但不同的分離形態(tài)，其最佳抽吸位置也不同；根據(jù)本文評估能量損失和流量的方法，最佳抽吸量為進口流量的2％左右。對以閉式分離主要特征的葉柵，最佳抽吸位置正好對應閉式分離的起始點；對于以開式分離為主要特