動靜葉干涉下的模擬流場和二次流損失的實驗和數(shù)值研究.pdf

1、隨著我國商用大飛機項目的推進,我國要設(shè)計具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能航空發(fā)動機,必須大力開展相應(yīng)的基礎(chǔ)研究,獲取第一手的數(shù)據(jù)和資料,以豐富和完善我國的渦輪發(fā)動機設(shè)計體系。大轉(zhuǎn)折角渦輪靜葉柵的二次流研究是一個難點,研究和掌握渦輪內(nèi)部流動特性,對提高渦輪機的設(shè)計效率、擴大其穩(wěn)定運行工作范圍、提高運行的安全和可靠性意義重大。
　　 實驗測量和數(shù)值模擬是研究葉輪機械內(nèi)部流場的兩種基本方法。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,各類先進的測量技術(shù)的不斷出現(xiàn),如

2、熱線風(fēng)速儀和粒子圖像測速儀,為實驗研究提供了有效的測量工具,同時計算機性能的飛速提高和計算流體力學(xué)技術(shù)的日趨完善,基于求解三維粘性Navier-Stokes方程的數(shù)值模擬方法為葉輪機械內(nèi)部流場的研究提供了強大的手段。
　　 本文正是通過實驗測量和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法來研究了大轉(zhuǎn)折角渦輪靜葉柵的非定常流動特性和葉柵出口平面的二次流情況。主要研究內(nèi)容和研究成果如下:
　　 1.闡述了實驗測試技術(shù)的發(fā)展歷程和現(xiàn)代測量技術(shù)發(fā)展的

3、最新成果,比較了各種實驗測量儀器的具體參數(shù)和應(yīng)用范圍。
　　 2.搭建了亞音速軸流渦輪內(nèi)部流場測試實驗臺,設(shè)計加工了實驗渦輪模型,詳細介紹了渦輪模型的設(shè)計參數(shù)。采用靜葉柵前后移動的圓柱列替代上下游動葉,以當量圓柱繞流尾跡模擬動葉繞流尾跡,分析了葉柵沿流向各截面二次流及葉柵的氣動特性。同時通過上下兩塊平面套板對葉片的遮擋,形成不同葉高的實驗件。隨后將熱線風(fēng)速儀和粒子圖像測速應(yīng)用到軸流平面葉柵實驗臺。
　　 3.采用旋轉(zhuǎn)單絲

4、斜熱線測量渦輪平面葉柵出口周期性三維流場,借助于Matlab的的LSQNONLIN最優(yōu)化函數(shù)對熱線測量數(shù)據(jù)進行最小二乘擬合以求解三維速度平均量。成功地獲取了渦輪出口平面的三維速度分布,及葉柵出口平面二次流的基本特征。并研究在兩種不同進口流量和三種不同的葉片高度下,熱線測得的葉柵出口瞬態(tài)速度場。發(fā)現(xiàn)高速進口較低速進口葉柵尾跡明顯,二次流強度較大;而較小的葉高下二次流較為劇烈,導(dǎo)致葉柵出口平面內(nèi)徑向流動速度、垂直于出口平面軸向速度的迅速增大

5、和出口平面內(nèi)周向流動速度的顯著降低。
　　 4.利用激光粒子圖像測速儀(PIV)測量了上游圓柱不同位置、葉柵不同高度工況下葉柵流道和葉柵出口平面的速度整場信息。葉柵實驗中將模擬動葉的圓柱列沿周向方向每次移動四分之一節(jié)距距離,進行平面速度場的測量,查看圓柱尾跡對下游葉柵影響的整場情況。研究發(fā)現(xiàn):尾跡的存在會破壞均勻流場,導(dǎo)致葉型流動損失的增加。同時,葉高的變化也會對二次渦產(chǎn)生影響。在較小的相對葉高下葉柵出口二次渦匯合,強度較大;而

6、在較大的相對葉高下二次渦分離。
　　 5.采用商業(yè)CFD計算軟件FLUENT,采用控制容積積分法和sstκ-ω湍流模型求解三維雷諾平均的N-S方程組,詳細模擬了大轉(zhuǎn)折角渦輪靜葉柵的三維流動。較準確地捕捉到葉柵內(nèi)部的二次流渦系以及損失的產(chǎn)生和發(fā)展細節(jié)、獲取了葉柵速度場、壓力場、二次流渦系的演變以及損失的發(fā)展,并獲得了實驗無法測量的葉片近壁面流場、極限流線等參數(shù)。對計算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),葉片前部沒有圓柱列的情況下葉片總壓損失最小,且圓柱

7、尾跡進入葉柵流道的部位不同,對葉柵內(nèi)部流場有顯著影響。同時通道內(nèi)逐漸增大的橫向壓力梯度對二次渦發(fā)展產(chǎn)生了顯著的影響,引起沿流向葉柵總壓損失的急劇增大。最后,發(fā)現(xiàn)葉高的減小以及攻角的增大會極大提高葉柵的二次流損失,其本質(zhì)原因都是葉柵通道內(nèi)二次流所占區(qū)域的擴大所致。
　　 6.基于以上數(shù)值計算方法,數(shù)值模擬了葉柵端壁加裝翼刀的渦輪靜葉柵的三維流場,分析翼刀對葉柵沿流向各截面二次流及葉柵的氣動特性的影響。通過與常規(guī)葉柵二次流特性的比較

8、,發(fā)現(xiàn)翼刀的存在一方面降低端壁附面層內(nèi)橫向壓力梯度,減弱低能流體向吸力面/壁角區(qū)的堆積;另一方面產(chǎn)生反向翼刀渦限制馬蹄渦的壓力面分支發(fā)展,從而達到減小通道渦的尺寸和強度的目的。最后通過不同高度及不同位置的翼刀方案的比較,發(fā)現(xiàn)模擬工況中控制二次流的最佳翼刀高度和翼刀周向布置位置。
　　 7.數(shù)值求解了前緣開設(shè)渦漩腔渦輪靜葉柵的三維流動,分析了葉柵沿流向各截面二次流及葉柵的氣動特性。在葉片前緣開設(shè)的渦漩腔構(gòu)造可以明顯地降低葉柵二次流