脈沖射流抑制大擴(kuò)壓度壓氣機(jī)流動(dòng)分離的機(jī)理及方法研究.pdf

1、推重比是現(xiàn)代高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要指標(biāo)，為實(shí)現(xiàn)高推重這一目標(biāo)，作為發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件的壓氣機(jī)必須提高其級(jí)壓比。在不顯著提高轉(zhuǎn)動(dòng)線速度的情況下，增大級(jí)壓比的需求使得葉輪設(shè)計(jì)中引入流場(chǎng)控制技術(shù)來(lái)削弱壓氣機(jī)在高負(fù)荷下的氣流分離成為當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)。本文基于壓氣機(jī)內(nèi)流動(dòng)特征，提出了一種新型無(wú)源引氣微脈沖射流控制的概念，并針對(duì)脈沖射流抑制大擴(kuò)壓度壓氣機(jī)流動(dòng)分離的機(jī)理及方法展開(kāi)了研究，主要有以下幾方面工作：
　　1、基于非定常分離流動(dòng)特性及脈沖

2、射流控制特點(diǎn)，建立了相應(yīng)的非線性動(dòng)力學(xué)模型，引入了最大Lyapunov指數(shù)進(jìn)行總體控制效果分析，完成了非線性模型的有效性驗(yàn)證，分析得到了直接依靠流場(chǎng)實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬難以得到的非定常激勵(lì)對(duì)分離流內(nèi)在的作用機(jī)制，為深入研究非定常分離流控制技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)。結(jié)果表明當(dāng)激勵(lì)頻率為系統(tǒng)主頻的半倍頻、一倍頻、二倍頻及三倍頻狀態(tài)下，最大Lyapunov指數(shù)出現(xiàn)明顯的下降，系統(tǒng)由混沌狀態(tài)向不穩(wěn)定的周期軌道或穩(wěn)定的周期軌道進(jìn)行了轉(zhuǎn)變，最佳激勵(lì)頻率與系統(tǒng)主

3、頻相當(dāng)；在有效非定常控制狀態(tài)下，流場(chǎng)內(nèi)絕大部分流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)趨向于平直流動(dòng)模式，非定常流場(chǎng)與外部激勵(lì)信號(hào)表現(xiàn)了較為明顯的自同步現(xiàn)象；隨著激勵(lì)強(qiáng)度的增加，流場(chǎng)內(nèi)被有效控制的流體質(zhì)點(diǎn)比例逐漸增加，宏觀狀態(tài)下表現(xiàn)為流場(chǎng)更為有序。
　　2、結(jié)合引氣微脈沖射流控制技術(shù)，考慮實(shí)際工程應(yīng)用，構(gòu)建了三種壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)式脈沖射流器；選擇了一種結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)加工了原理型脈沖射流器，分析了高頻狀態(tài)下存在瞬時(shí)出口總壓低于進(jìn)口總壓現(xiàn)象的物理機(jī)制，探索了不同轉(zhuǎn)速及

4、壓力狀態(tài)下射流器出口速度波形特點(diǎn)，提出了脈沖射流控制的強(qiáng)度鎖定效應(yīng)，總結(jié)了高頻微脈沖射流器流動(dòng)特征規(guī)律。
　　3、基于自建的仿葉柵通道試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)測(cè)得了通道內(nèi)平均壓力及壓力波動(dòng)特性的分布，其中設(shè)計(jì)狀態(tài)下通道內(nèi)分離渦主頻約為266Hz，對(duì)應(yīng)的斯特勞哈爾數(shù)≈0.18。此外針對(duì)非定常分離流動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、信息量巨大而導(dǎo)致直接分析難以把握其流動(dòng)規(guī)律的困難，引入了本征正交分解(POD)方法用于非定常流場(chǎng)分析，完成了非定常流場(chǎng)的時(shí)空解耦。其中PO

5、D分解對(duì)應(yīng)的一階模態(tài)反映了平均流特性，二階及其余各階模態(tài)均反映不同時(shí)空尺度的流動(dòng)渦系結(jié)構(gòu)，實(shí)際流動(dòng)可視為各階模態(tài)以一定權(quán)重在時(shí)空域中的組合，基于POD解耦的流場(chǎng)時(shí)空結(jié)構(gòu)將有助于把握復(fù)雜的非定常分離流動(dòng)特征。
　　4、采用試驗(yàn)及數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，對(duì)比分析了典型控制狀態(tài)下射流頻率對(duì)通道內(nèi)分離渦的影響規(guī)律，運(yùn)用POD方法以模態(tài)的方式分析了脈沖射流對(duì)通道內(nèi)分離渦的作用機(jī)制。研究表明當(dāng)射流頻率接近通道內(nèi)分離渦主頻時(shí)控制效果最為明顯。非定

6、常控制方式基于流場(chǎng)內(nèi)渦系結(jié)構(gòu)的非線性作用，重分配各階模態(tài)之間的能量，有選擇性的強(qiáng)化或削弱某階模態(tài)；定常射流控制則是整體削弱高階模態(tài)，壓制通道內(nèi)復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象，整體線性地改變通道內(nèi)流場(chǎng)特性。合理的構(gòu)建脈沖射流可使能量從高階模態(tài)向平均流模態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)移，能量的轉(zhuǎn)移通過(guò)空間流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的重構(gòu)和模態(tài)時(shí)間演化特性的序化實(shí)現(xiàn)。
　　5、開(kāi)展了不同位置、角度及強(qiáng)度狀態(tài)下脈沖射流控制效果的分析，其中分離點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)著最佳射流位置，隨著射流位置逐漸遠(yuǎn)離分離點(diǎn)，

7、射流控制效果逐漸減弱，最佳射流位置的各階模態(tài)能量均向平均流模態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)移，脈沖射流控制效果最為明顯；在本文研究的角度范圍內(nèi)，最佳射流角度為15°，此時(shí)脈沖射流對(duì)葉片表面低速區(qū)的穿透效應(yīng)及對(duì)前端低速區(qū)的推動(dòng)作用處于最佳耦合狀態(tài)；在合適的脈沖射流強(qiáng)度下，一定頻率范圍內(nèi)的脈沖射流均能使得通道內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)離開(kāi)無(wú)控狀態(tài)周期軌道，進(jìn)而穩(wěn)定在由脈沖射流決定的新的周期軌道上，流場(chǎng)與脈沖射流相互耦合達(dá)到時(shí)空同步。
　　6、基于平面葉柵實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展了無(wú)源