附面层抽吸控制高负荷扩压叶栅间隙流动研究

发布时间：2017-08-06 00:07

  本文关键词：附面层抽吸控制高负荷扩压叶栅间隙流动研究

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【摘要】：现代高性能飞行器对压气机级压比和效率提出了更高的要求,提高单级压气机负荷是提高发动机推重比最为直接有效的途径之一,然而高负荷势必增加流道内逆压梯度,进而导致附面层流体发生分离,这也成为制约压气机负荷提升的不利因素。间隙泄漏流动使压气机效率降低,是制约其性能的另一重要因素,间隙泄漏流动不仅会产生泄漏损失,其泄漏涡导致的非定常扰动间接导致压气机失稳。高负荷压气机叶栅内二次流动剧烈,间隙泄漏流动必然较常规叶栅更为复杂,因此深入研究其内部流动机理并加以控制对实现高负荷叶栅使用价值意义深远。本文以低速高负荷压气机叶栅为研究对象,着重研究了附面层抽吸技术控制间隙泄漏流动的机理。首先采用实验校核CFD方法探究附面层抽吸对无叶顶间隙叶栅角区分离的控制作用,通过对流道内旋涡结构的研究发现集中脱落涡、通道涡、角涡导致的涡致掺混是流场熵增主要原因。吸力面附面层抽吸抑制了集中脱落涡的生成,角区分离尺度随之减小,涡致损失降低；相比之下,端壁附面层抽吸可以有效控制角区分离,但由此导致的附面层迁移使得叶片中径处产生闭式分离泡,成为抽吸后流场主要损失来源。在此基础上,变冲角抽吸结果表明吸力面抽吸比端壁抽吸有更好的适应性。其次,数值研究了附面层抽吸控制间隙泄漏流动的作用机理,通过对不同间隙尺寸流场的研究,结果表明不同于常规叶栅,高负荷叶栅内强逆压梯度及大曲率型面导致了泄漏涡的破碎,使得叶顶低能区迅速扩散,损失激增。上端壁沿流向进行附面层抽吸抑制了泄漏涡的生成及发展过程,对间隙泄漏的控制效果较好,其降低了泄漏流引发的高湍动能耗散,泄漏涡的堵塞效应大幅削弱,且抽吸位置吸力面侧优于压力面侧。将端壁抽吸与吸力面抽吸方案组合既降低了泄漏损失又抑制了角区分离,泄漏涡、集中脱落涡的形态变化明显,随抽吸流量增加泄漏损失逐渐降低,栅后流场趋于均匀化,而且变间隙性能也得到一定程度的改善。
【关键词】：高负荷叶栅 附面层抽吸 间隙泄漏流 分离 旋涡结构
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V231
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-28
• 1.1 研究背景和意义11-12
• 1.2 叶轮机械中分离流及损失12-18
• 1.2.1 压气机内分离流研究现状12-14
• 1.2.2 压气机叶栅中流动损失14-18
• 1.3 叶轮机械内流动控制技术18-22
• 1.3.1 等离子体流动控制18-19
• 1.3.2 叶顶喷气19-20
• 1.3.3 机匣处理20-21
• 1.3.4 叶尖小翼21-22
• 1.4 附面层抽吸技术22-26
• 1.4.1 附面层抽吸技术机理22-23
• 1.4.2 附面层抽吸技术研究概况23-26
• 1.5 论文研究内容及目的26-28
• 第2章 叶栅实验装置与数值方法介绍28-36
• 2.1 引言28
• 2.2 叶栅实验装置28-33
• 2.2.1 实验风洞28-29
• 2.2.2 五孔探针及其校准29-30
• 2.2.3 实验装置30-33
• 2.3 数值方法介绍33-35
• 2.3.1 ANSYS CFX33
• 2.3.2 数值方法设定33
• 2.3.3 数值方法校核33-35
• 2.4 本章小结35-36
• 第3章 附面层抽吸对高负荷扩压叶栅气动性能影响36-62
• 3.1 引言36
• 3.2 吸力面附面层抽吸研究36-43
• 3.2.1 方案介绍36-37
• 3.2.2 近壁面流线及体流线37-39
• 3.2.3 出口截面损失及气流角39-41
• 3.2.4 型面载荷41-43
• 3.3 端壁附面层抽吸研究43-51
• 3.3.1 抽吸方案设计43-44
• 3.3.2 端壁流线及体流线44-46
• 3.3.3 载荷分布46-48
• 3.3.4 出口流场分析48-51
• 3.4 附面层抽吸对叶栅冲角影响51-57
• 3.4.1 变冲角研究51-52
• 3.4.2 变冲角抽吸52-55
• 3.4.3 抽吸流量研究55-57
• 3.5 吸力面及端壁抽吸方案机理总结57-60
• 3.6 本章小结60-62
• 第4章 附面层抽吸对带间隙高负荷扩压叶栅气动性能影响62-91
• 4.1 引言62
• 4.2 端壁附面层抽吸62-73
• 4.2.1 方案设计62-63
• 4.2.2 流线分析63-66
• 4.2.3 叶栅损失分布66-69
• 4.2.4 叶栅载荷分布69-71
• 4.2.5 泄漏参数分析71-73
• 4.3 型面附面层抽吸73-77
• 4.3.1 方案设计73
• 4.3.2 流场静压分布73-74
• 4.3.3 栅后流场分析74-76
• 4.3.4 泄漏流动分析76-77
• 4.4 组合抽吸对变间隙工况影响77-89
• 4.4.1 变间隙流动特性77-82
• 4.4.2 组合抽吸方案设计82
• 4.4.3 组合抽吸对流场影响82-89
• 4.5 本章小结89-91
• 结论91-92
• 展望及建议92-93
• 参考文献93-99
• 攻读学位期间公开发表论文99-100
• 致谢100-101
• 作者简介101

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本文编号：627508