本文關(guān)鍵詞：超高負(fù)荷擴(kuò)壓葉柵分離結(jié)構(gòu)及其定常與非定常控制研究

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【摘要】：航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)推重比不懈地追求引發(fā)了壓氣機(jī)領(lǐng)域的發(fā)展困境,即不斷提升的負(fù)荷與不斷加劇的分離流動(dòng)之間存在著不可調(diào)和的矛盾。如何高效地實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的大幅提升是廣大葉輪機(jī)械工作者努力追尋的目標(biāo)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)發(fā)動(dòng)機(jī)氣體動(dòng)力研究中心獨(dú)辟蹊徑,提出了低反動(dòng)度壓氣機(jī)設(shè)計(jì)理念。該理念通過(guò)增加動(dòng)葉入口的正預(yù)旋降低反動(dòng)度以釋放動(dòng)葉的擴(kuò)壓需求進(jìn)而確保動(dòng)葉能夠高效、大幅地提高總壓升,而總壓升向靜壓升的轉(zhuǎn)變則主要?dú)w結(jié)于基于流動(dòng)控制的大折轉(zhuǎn)角靜葉柵中。因此該設(shè)計(jì)理念打破了傳統(tǒng)的單純依賴于葉柵流道的擴(kuò)壓模式,所倡導(dǎo)的是一種新的建立在流動(dòng)控制基礎(chǔ)之上的擴(kuò)壓過(guò)程。上述擴(kuò)壓理念的轉(zhuǎn)變形成了本文的主要研究?jī)?nèi)容,即對(duì)低反動(dòng)度高負(fù)荷擴(kuò)壓葉柵分離結(jié)構(gòu)的控制研究。在進(jìn)行分離流動(dòng)的控制研究之前,本文首先細(xì)致分析了低反動(dòng)度高負(fù)荷擴(kuò)壓葉柵流場(chǎng)的分離結(jié)構(gòu),具體涵蓋了從二維葉型到三維葉柵、從定常到非定常等不同的研究?jī)?nèi)容。在對(duì)低反動(dòng)度高負(fù)荷二維葉柵流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn),設(shè)計(jì)狀態(tài)下的流場(chǎng)中同時(shí)存在吸力面分離渦與尾緣脫落渦是其區(qū)別于常規(guī)負(fù)荷擴(kuò)壓葉柵流場(chǎng)的顯著特征。這一特征在二維葉型向三維葉柵過(guò)渡的過(guò)程中會(huì)演繹出怎樣復(fù)雜的流動(dòng)結(jié)構(gòu)是無(wú)法預(yù)測(cè)的,為此本文隨后開(kāi)展了常規(guī)高負(fù)荷三維擴(kuò)壓葉柵流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的研究,以期為后續(xù)的低反動(dòng)度高負(fù)荷三維葉柵流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分析奠定基礎(chǔ)。研究表明,常規(guī)高負(fù)荷三維擴(kuò)壓葉柵的流場(chǎng)隨著來(lái)流沖角的增加將先后經(jīng)歷角區(qū)分離、角區(qū)失速與葉柵失速三種不同的分離形態(tài)。流場(chǎng)中的旋渦結(jié)構(gòu)整體上可以區(qū)分為以馬蹄渦、通道渦、壁角渦為代表的準(zhǔn)柱狀渦系與以吸力面分離渦為代表的層狀渦系。其中馬蹄渦壓力側(cè)分支并非一定會(huì)匯入通道渦,而通道渦也并非由馬蹄渦壓力側(cè)分支發(fā)展而來(lái),壁角渦也不是通道渦誘導(dǎo)的產(chǎn)物,通道渦與壁角渦均有著各自相對(duì)獨(dú)立的促發(fā)機(jī)制與發(fā)展過(guò)程。吸力面分離渦是一個(gè)具有一定厚度并在空間自行封閉的復(fù)雜三維曲面。馬蹄渦、通道渦、壁角渦等準(zhǔn)柱狀渦系結(jié)構(gòu)并非葉柵損失的重要來(lái)源,流場(chǎng)的損失分布主要受吸力面分離渦的影響。低反動(dòng)度高負(fù)荷三維葉柵的流場(chǎng)始終處于葉柵失速形態(tài),流場(chǎng)固有的動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定特性引發(fā)層狀的吸力面分離渦打破原先的平衡機(jī)制,最終演變形成非對(duì)稱分離流態(tài),由此引發(fā)吸力面分離渦在空間尺度上急劇增長(zhǎng)并成為主導(dǎo)葉柵流場(chǎng)分離結(jié)構(gòu)與損失分布的關(guān)鍵因素。在明晰了具體分離結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,本文隨后在低反動(dòng)度高負(fù)荷擴(kuò)壓葉柵中開(kāi)展了附面層定常吹/吸氣控制分離流動(dòng)的研究。研究顯示,在低反動(dòng)度高負(fù)荷擴(kuò)壓葉柵中成功實(shí)現(xiàn)分離流動(dòng)控制的關(guān)鍵在于對(duì)吸力面分離渦的有效控制,流動(dòng)控制的成功施加伴隨著流場(chǎng)由葉柵失速形態(tài)突變至角區(qū)失速或角區(qū)分離形態(tài)的過(guò)程。附面層定常吹氣通過(guò)射流攜帶的高動(dòng)量流體與附面層內(nèi)部的低能流體之間的動(dòng)量交換調(diào)節(jié)附面層的發(fā)展并形成新的分布形態(tài),這一過(guò)程具有顯著的矢量特性,因此射流角度對(duì)控制效果有著決定性影響。附面層定常吸氣通過(guò)對(duì)附面層內(nèi)部低能流體的吸除以延緩附面層的發(fā)展并提升其抵抗逆壓梯度的能力,附面層定常吸氣的控制效果對(duì)抽吸位置、抽吸流量較為敏感,整個(gè)控制過(guò)程的變工況適應(yīng)能力較差。為了彌補(bǔ)定常流動(dòng)控制技術(shù)的不足,將一典型的非定常流動(dòng)控制技術(shù)合成射流引入低反動(dòng)度高負(fù)荷擴(kuò)壓葉柵中進(jìn)行分離流動(dòng)的控制。研究表明,合成射流在通過(guò)與附面層內(nèi)部低能流體的動(dòng)量交換實(shí)現(xiàn)對(duì)附面層積極調(diào)控的同時(shí),其自身的非定常激勵(lì)過(guò)程引入的波渦作用能夠進(jìn)一步有效離散大尺度吸力面分離渦并促發(fā)離散后的旋渦卷繞、脫落,由此形成了對(duì)流場(chǎng)分離結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步調(diào)節(jié),顯著提升了流動(dòng)控制的效果。在對(duì)附面層定常吸氣與合成射流兩類技術(shù)深入總結(jié)分析的基礎(chǔ)上,提出了附面層非定常振蕩抽吸的概念,并在低反動(dòng)度高負(fù)荷擴(kuò)壓葉柵與常規(guī)高負(fù)荷擴(kuò)壓葉柵中進(jìn)行了數(shù)值驗(yàn)證,結(jié)果表明,附面層非定常振蕩抽吸具有與合成射流類似的波渦作用過(guò)程,與附面層定常抽吸相比,附面層非定常振蕩抽吸一方面通過(guò)對(duì)附面層低能流體的有效吸除積極調(diào)節(jié)附面層的發(fā)展,另一方面其非定常激勵(lì)形成的波渦作用在進(jìn)一步提升流動(dòng)控制效果的基礎(chǔ)上,大幅提升了整個(gè)控制過(guò)程的變工況適應(yīng)能力。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V233
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本文編號(hào)：1301474