總壓畸變對跨聲速風(fēng)扇流場結(jié)構(gòu)影響的全流道數(shù)值模擬.pdf

1、回顧燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)問世以來近60年的發(fā)展歷史，在二十世紀(jì)六十年代中期主要重視的是發(fā)動(dòng)機(jī)性能的好壞，追求高的性能指標(biāo)，而對進(jìn)氣畸變的影響未引起足夠的重視。這種情況在早期的亞音速、小機(jī)動(dòng)飛行條件下是可以的。但隨著飛機(jī)飛行速度、高度的不斷提高，機(jī)動(dòng)性的不斷增加，以及導(dǎo)彈武器的使用，畸變的影響越來越突出，實(shí)踐中暴露出來的問題也越來越嚴(yán)重。進(jìn)入21世紀(jì)，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)向著非常規(guī)機(jī)動(dòng)性和超音速機(jī)動(dòng)性的方向發(fā)展。葉輪機(jī)械無一例外必須在非均勻進(jìn)口條件下工作

2、。這就使得壓氣機(jī)的效率和壓比比均勻進(jìn)氣條件有所降低，更重要的是進(jìn)口氣流的不均勻會(huì)加劇內(nèi)部流場的非定常現(xiàn)象，從而使壓氣機(jī)氣動(dòng)穩(wěn)定性下降，使之提前失速。因此，深入的研究進(jìn)口氣流參數(shù)的非均勻性和內(nèi)部流場的非定常性對進(jìn)一步提高葉輪機(jī)械的性能有著非常重要的意義。
　　本文以某型跨音風(fēng)扇作為研究對象，首先對原型風(fēng)扇設(shè)計(jì)工況數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比與分析。在本文計(jì)算條件下，三維非定常數(shù)值模擬得到的風(fēng)扇效率曲線在趨勢上與實(shí)驗(yàn)曲線匹配的較好

3、。數(shù)值模擬結(jié)果在最高效率點(diǎn)附近與實(shí)驗(yàn)值最接近。計(jì)算工況越接近喘振點(diǎn)，數(shù)值模擬的誤差越大。湍流模型的誤差和較大的數(shù)值粘性是造成偏差的主要原因。對數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的進(jìn)一步驗(yàn)證表明，本文使用的數(shù)值模擬方法可以滿足定性研究風(fēng)扇流場的要求。
　　通過研究不同畸變度和畸變角時(shí)總壓畸變對風(fēng)扇流場進(jìn)出口參數(shù)的影響，較系統(tǒng)的給出了多種畸變條件下總壓畸變經(jīng)風(fēng)扇的傳遞情況，并詳細(xì)分析了畸變流場對風(fēng)扇進(jìn)出口參數(shù)的影響。分析表明：周向總壓畸變使進(jìn)口流場參

4、數(shù)分布發(fā)生改變：在畸變與非畸變區(qū)的交界處有周向側(cè)流產(chǎn)生，使進(jìn)口的靜壓、氣流軸向速度、氣流角變得不均勻，從而改變了風(fēng)扇的進(jìn)口流場?？倝夯兘?jīng)風(fēng)扇傳遞的同時(shí)引起總溫畸變。通過對多種進(jìn)口畸變條件下的風(fēng)扇流場進(jìn)行求解，提出刻畫畸變區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的“四階段”模型。即動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)一周主要經(jīng)歷進(jìn)入畸變區(qū)、畸變區(qū)內(nèi)運(yùn)動(dòng)、退出畸變區(qū)、非畸變區(qū)運(yùn)動(dòng)四個(gè)階段。動(dòng)葉在各階段中受畸變流場的影響完全不同。
　　畸變度和畸變角較大時(shí)，進(jìn)口總壓畸變對風(fēng)扇流場的影響顯著

5、。本文采用更細(xì)致的網(wǎng)格對畸變度0.1，單畸變區(qū)90進(jìn)口條件下的風(fēng)扇流場進(jìn)行o了三維數(shù)值模擬。給出均勻和進(jìn)口畸變條件下風(fēng)扇的特性曲線。選取最高效率點(diǎn)作為研究對象，詳細(xì)分析了進(jìn)口畸變對風(fēng)扇內(nèi)部流場的影響。分析發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口總壓畸變使風(fēng)扇性能明顯下降?；兞鲌鰧?dòng)葉和靜葉的影響沿徑向存在很大差異。根部區(qū)域，動(dòng)葉損失小，而靜葉損失大。頂部則相反。不同周向位置畸變流場對動(dòng)葉的影響不同。對于動(dòng)葉，文中對不同周向位置、不同葉高處動(dòng)葉內(nèi)的流場進(jìn)行了分析，給

6、出相對畸變區(qū)不同周向位置處動(dòng)葉內(nèi)流場的變化規(guī)律。尤其對葉頂附近激波結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、位置的變化進(jìn)行了詳細(xì)的分析。對于靜葉，文中重點(diǎn)分析了畸變區(qū)內(nèi)靜葉的流場。結(jié)果表明，靜葉根部存在大范圍的分離，使畸變區(qū)內(nèi)的靜葉流道產(chǎn)生嚴(yán)重堵塞。從而影響到相鄰葉柵內(nèi)的流動(dòng)狀況，使流道內(nèi)產(chǎn)生較強(qiáng)的激波。
　　證實(shí)了動(dòng)葉對不均勻流場的響應(yīng)存在一定滯后：動(dòng)葉在旋轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)進(jìn)口條件發(fā)生變化時(shí)，上游流體在動(dòng)葉內(nèi)傳遞需要一定時(shí)間才能影響到整個(gè)流道。最高損失點(diǎn)并不是在

7、畸變區(qū)內(nèi)，而是在動(dòng)葉離開畸變區(qū)向遠(yuǎn)畸變區(qū)運(yùn)動(dòng)的過程中。相應(yīng)的，轉(zhuǎn)子最高效率（低損失）位置并不在遠(yuǎn)畸變區(qū)，而是位于動(dòng)葉再次進(jìn)入畸變區(qū)的位置。
　　在原型的基礎(chǔ)上構(gòu)造了五種不同的靜葉彎葉片方案對風(fēng)扇流場進(jìn)行求解。結(jié)果顯示，靜葉彎曲能有效提高抗畸變能力。在同樣畸變度條件下，靜葉采用彎葉片可以提高效率，可以提高風(fēng)扇的流動(dòng)穩(wěn)定性。但是彎曲方式不同對風(fēng)扇流場的改善方式也存在差異：靜葉根部彎曲對動(dòng)葉和靜葉流場都有改善作用；兩端彎曲對動(dòng)葉的改善作

8、用較大。本文將靜葉彎曲對畸變流場的影響分為兩個(gè)方向：一是大幅改善動(dòng)葉流場，靜葉柵效率卻有所下降或改變不大；二是動(dòng)葉效率改變不大，而對靜葉流場的改善程度較大。流場的周向不均勻使畸變區(qū)靜葉流道內(nèi)產(chǎn)生嚴(yán)重分離。利用正彎葉柵產(chǎn)生的徑向壓力梯度，可以增加畸變區(qū)內(nèi)靜葉根部和中徑區(qū)域的密流，從而在一定程度上抑制或減小分離的范圍，能夠改善畸變區(qū)內(nèi)靜葉以及上游動(dòng)葉流場。但是靜葉彎葉片的使用具有兩面性。研究發(fā)現(xiàn)，兩端大彎角的靜葉能夠較大程度提高動(dòng)葉效率，使