本文關鍵詞：跨聲速壓氣機靜葉三維旋渦結構研究

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【摘要】：先進的燃氣輪機技術已經成為衡量一個國家工業(yè)水平、軍事實力,甚至是綜合國力的重要標志之一,同時也是各國科技及軍事工業(yè)優(yōu)先發(fā)展的領域和重點研發(fā)的對象,作為燃氣輪機的三大核心部件之一的壓氣機對燃氣輪機的總體性能起到關鍵的作用。壓氣機內的氣體流動存在黏性、可壓縮和非定常的三維流動特征,流場中總是存在氣流的分離及旋渦運動,這些復雜的流體運動影響著壓氣機的高效運轉及穩(wěn)定運行。因此,了解并掌握壓氣機內分離流動與旋渦結構產生與發(fā)展的機理,對于改善壓氣機氣動性能,降低流動損失,提高效率與穩(wěn)定性具有重要意義。國內外對于壓氣機旋渦結構的研究工作,大多是基于時均流場下的旋渦結構,或者是關注于動葉葉頂泄漏流動等壓氣機內局部區(qū)域的非定常流動,對于壓氣機全流道內的三維非定常旋渦結構的研究工作則較少。本論文以某型單級軸流式跨聲速壓氣機為研究對象,研究壓氣機靜葉三維非定常旋渦結構及其時空演化機制。首先,利用NASA Rotor37的試驗數(shù)據(jù)對數(shù)值模擬軟件ANSYS CFX進行了詳細的校核,驗證了數(shù)值分析的可信性。同時,采用低速壓氣機試驗測量結果對環(huán)形葉柵直角坐標系下的二次流公式做了詳細的分析。其次,對于定常計算得到的壓氣機在設計轉速下的設計工況、近失速工況和阻塞工況時靜葉葉片表面和輪轂端壁流場結構進行了詳細的氣動和拓撲分析,并采用Q-準則方法補充靜葉流道內旋渦結構演化規(guī)律,最終建立了跨聲速壓氣機靜葉三維定常旋渦結構。結果表明：設計工況下,在靜葉頂部吸力面?zhèn)却嬖谝粋�閉式分離區(qū)：在近失速工況下,靜葉吸力面氣流大部分處于分離狀態(tài),有可能導致壓氣機的靜葉失速；在阻塞工況下,由于靜葉兩側的超聲速流動和激波導致葉片兩側均發(fā)生氣流分離,并導致壓氣機流道發(fā)生阻塞。壓氣機設計工況下的三維定常旋渦結構主要有：氣流繞流靜葉前緣形成的馬蹄渦、在橫向壓力梯度作用下從葉片壓力面脫落形成的壓力面分離渦、受到馬蹄渦壓力面分支和壓力面分離渦相互搓洗而形成的通道渦、從葉片吸力面分離形成的集中脫落渦等旋渦結構。在近失速工況下,葉片吸力面的大范圍氣流分離流動形成復雜的吸力面分離渦系。在阻塞工況下,靜葉壓力面?zhèn)葴u系相互作用新生成出通道渦的衍生渦。進而,在建立起來的壓氣機靜葉三維定常旋渦結構的基礎上,從設計轉速下壓氣機失速過程和比轉速下的壓氣機近失速工況兩個角度,用拓撲分析方法建立了壓氣機失速過程的靜葉旋渦結構,并用拓撲表征法來解釋壓氣機動態(tài)失速機理。結果表明：壓氣機在設計轉速下的失速過程主要體現(xiàn)在靜葉吸力面氣流的分離程度不斷加劇,從一個閉式分離區(qū)發(fā)展到空間閉式分離泡,并形成徑向分離渦,并且隨著分離程度的擴大,形成復雜的吸力面分離渦系,這一方面削弱其他渦系,另一方面卷積了大量的低能流體團,堆積在流道內,形成閉式分離區(qū)域,堵塞了流道,減小了有效通流面積,降低了壓氣機流量。同時,由于渦系之間的搓洗、吞并與破裂,及其對低能流體團的輸運,造成能量損失,削弱了壓氣機的增壓能力,有可能造成壓氣機的靜葉失速。在比轉速下,壓氣機近失速工況的分離區(qū)域范圍隨著轉速的升高而不斷擴大,而不同轉速下壓氣機近失速工況的旋渦結構基本一致。最后,對壓氣機設計工況下的流場進行了詳細的非定常計算,通過壓氣機流場的熵、靜壓和馬赫數(shù)以及葉片表面和端壁的流線等氣動參數(shù)的分布詳細地分析了非定常因素(動葉尾跡、動葉葉頂泄漏流動、靜葉流道內激波與附面層相互作用等)對壓氣機靜葉流場的影響機理,建立了壓氣機靜葉三維非定常旋渦結構模型,揭示了非定常因素對旋渦結構的影響機理。結果表明：壓氣機靜葉三維定常旋渦結構和非定常旋渦結構基本一致,非定常因素主要是影響了旋渦的生成位置以及旋渦的強度和尺寸,使這些參數(shù)發(fā)生了非定常的周期性波動。動葉尾跡對下游靜葉的掃掠造成了動靜葉交界面氣流角的周期性波動,影響了靜葉來流沖角,并且影響靜葉吸力面激波強度,還改變了靜葉流道內的靜壓場分布,從而影響通道渦及壓力面分離渦的強度和生成位置,并影響了靜葉吸力面葉表分離程度及集中脫落渦的形態(tài)。靜葉流道內的激波強度的變化,影響了激波對靜葉葉表附面層的作用,導致靜葉前緣閉式分離泡的形態(tài)發(fā)生周期性變化；同時,激波造成的熵增的波動,最終導致壓氣機級效率的周期性波動。動葉葉頂泄漏流動主要是改變了靜葉沖角的分布,并抑制了靜葉前緣馬蹄渦的生成。
【關鍵詞】：跨聲速壓氣機 靜葉 三維流動 旋渦結構 拓撲分析
【學位授予單位】：大連海事大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TK474.8
【目錄】：

• 創(chuàng)新點摘要5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 符號表14-17
• 第1章 緒論17-37
• 1.1 課題研究背景及意義17-19
• 1.2 葉輪機械旋渦結構研究現(xiàn)狀19-30
• 1.2.1 無葉頂間隙的葉柵旋渦結構模型20-26
• 1.2.2 帶有葉頂間隙的葉柵旋渦結構模型26-28
• 1.2.3 壓氣機級的旋渦結構模型28-30
• 1.3 變工況下壓氣機流場與旋渦結構研究現(xiàn)狀30-33
• 1.4 影響壓氣機非定常流場與旋渦結構的因素研究現(xiàn)狀33-35
• 1.4.1 激波/附面層干涉對壓氣機流場與旋渦結構的影響33
• 1.4.2 葉頂泄漏流動對壓氣機流場與旋渦結構的影響33-34
• 1.4.3 葉列間的流場對壓氣機流場與旋渦結構的影響34-35
• 1.5 本論文的主要研究內容和目標35-37
• 第2章 數(shù)值模擬手段與流場分析方法37-53
• 2.1 引言37
• 2.2 研究對象介紹37-40
• 2.2.1 研究對象的主要幾何尺寸37
• 2.2.2 研究對象選取依據(jù)37-39
• 2.2.3 非定常計算時動靜葉片數(shù)目的選取39-40
• 2.3 數(shù)值模擬方法及求解方案40-47
• 2.3.1 ANSYS CFX的結構40-41
• 2.3.2 控制方程41
• 2.3.3 計算方法41-42
• 2.3.4 ANSYS CFX中的湍流模型42-43
• 2.3.5 數(shù)值模擬方法的校核43-45
• 2.3.6 數(shù)值模擬網格及網格無關性驗證45-46
• 2.3.7 本文研究所采用的方案46-47
• 2.4 二次流及其分析方法47-51
• 2.4.1 二次流定義及分析47-48
• 2.4.2 拓撲規(guī)律48-51
• 2.5 氣動參數(shù)的處理方法51
• 2.6 本章小結51-53
• 第3章 跨聲速壓氣機定常流場與旋渦結構分析53-97
• 3.1 引言53
• 3.2 設計工況下流場與旋渦結構53-68
• 3.2.1 靜葉葉片表面和端壁流動分析54-58
• 3.2.2 擬S3流面拓撲分析58-64
• 3.2.3 三維旋渦結構建模及分布64-68
• 3.3 近失速工況下流場與旋渦結構68-79
• 3.3.1 靜葉葉片表面和端壁流動分析68-71
• 3.3.2 擬S3流面拓撲分析71-77
• 3.3.3 三維旋渦結構建模及分布77-79
• 3.4 阻塞工況下流場與旋渦結構79-92
• 3.4.1 靜葉葉片表面和端壁表面流動分析79-83
• 3.4.2 擬S3流面拓撲分析83-90
• 3.4.3 三維旋渦結構建模及分布90-92
• 3.5 流場總奇點數(shù)變化規(guī)律92-95
• 3.6 本章小結95-97
• 第4章 跨聲速壓氣機靜葉失速的旋渦拓撲表征97-133
• 4.1 引言97
• 4.2 設計轉速下壓氣機靜葉失速過程的旋渦結構分析97-114
• 4.2.1 靜葉失速過程的壁面流動分析98-103
• 4.2.2 靜葉失速過程的擬S3流面拓撲分析103-109
• 4.2.3 靜葉失速過程的三維旋渦結構分析109-113
• 4.2.4 靜葉失速過程的旋渦結構演化規(guī)律113-114
• 4.3 比轉速下壓氣機靜葉失速工況的旋渦結構分析114-131
• 4.3.1 靜葉失速工況的壁面流動分析114-119
• 4.3.2 靜葉失速工況的擬S3流面拓撲分析119-127
• 4.3.3 靜葉失速工況的三維旋渦結構分析127-131
• 4.4 旋渦結構表征的靜葉失速機理131-132
• 4.5 本章小結132-133
• 第5章 非定常因素對跨聲速壓氣機靜葉流場與旋渦結構的影響133-173
• 5.1 引言133-134
• 5.2 動葉尾跡對壓氣機靜葉流場的影響134-142
• 5.2.1 動葉尾跡對下游靜葉的掃掠過程分析134-136
• 5.2.2 動葉尾跡對動靜葉交界面氣流角的影響分析136-137
• 5.2.3 動葉尾跡對靜葉葉表靜壓分布的影響137-138
• 5.2.4 動葉尾跡對靜葉表面流場的非定常影響分析138-142
• 5.3 動葉葉頂泄漏流動對壓氣機靜葉流場的影響142-150
• 5.3.1 壓氣機動葉葉頂泄漏流動狀態(tài)分析142-145
• 5.3.2 動葉葉頂泄漏演化過程分析145-147
• 5.3.3 靜葉入口頂部截面流場分析147-150
• 5.4 激波/附面層對壓氣機靜葉流場的影響150-156
• 5.4.1 跨聲速壓氣機靜葉流道內激波與附面層相互作用機理150-152
• 5.4.2 靜葉表面馬赫數(shù)分布分析152-153
• 5.4.3 靜葉根部區(qū)域激波的時空演化分析153-156
• 5.5 壓氣機靜葉三維非定常旋渦結構研究156-172
• 5.5.1 t=0 T時刻,擬S3流面拓撲分析156-162
• 5.5.2 不同時刻,擬S3流面拓撲分析162-170
• 5.5.3 三維非定常旋渦結構演化機制170-172
• 5.6 本章小結172-173
• 結論173-175
• 參考文獻175-184
• 攻讀學位期間公開發(fā)表論文184-185
• 致謝185-186
• 作者簡介186

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本文編號：960996