發(fā)布時間：2020-11-08 14:41

　　 作為航空發(fā)動機(jī)的核心部件之一,對風(fēng)扇/壓氣機(jī)內(nèi)部流動的控制可以顯著提高其壓比,減少損失,對提升航空發(fā)動機(jī)的性能有重要意義。而隨著壓氣機(jī)葉片負(fù)荷的提高,其內(nèi)部流動分離情況更為嚴(yán)重,附面層低能流體向吸力面角區(qū)的堆積,產(chǎn)生嚴(yán)重的尾緣脫落渦和集中脫落渦,導(dǎo)致尾跡摻混損失,并惡化了下游葉柵的進(jìn)口氣流條件。因此,有效的控制二次流和角區(qū)分離對提高壓氣機(jī)性能有重要意義。本文基于RANS數(shù)值方法研究了尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)對于高速擴(kuò)壓葉柵氣動性能影響的作用,深入分析了尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)作為被動流動控制的作用機(jī)理,并給出了鋸齒結(jié)構(gòu)三個參數(shù)(鋸齒頂角φ,弦長λ/H及展向位置h/H)對于本文所用高速擴(kuò)壓葉柵氣動性能的影響規(guī)律,并給出最優(yōu)化鋸齒參數(shù)組合。同時,為驗(yàn)證尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)在變工況下的適用范圍,進(jìn)而選取最優(yōu)鋸齒參數(shù)組合的尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)葉柵進(jìn)行非設(shè)計(jì)工況數(shù)值計(jì)算,以驗(yàn)證該流動控制手段的適用性。由于鋸齒結(jié)構(gòu)的存在而產(chǎn)生的高速射流所帶來的動量注入,以及鋸齒射流旋渦所引起的動量交換,葉柵角區(qū)低能流體被注入了新的能量。這使得集中脫落渦、尾緣脫落渦和葉柵流道后尾跡摻混都得以削弱。同時,位于恰當(dāng)位置的尾緣鋸齒結(jié)構(gòu),可以阻擋部分來自相鄰葉片壓力面橫向遷移的氣流,并對低能流體的徑向遷移起到一定的阻斷作用。與原型葉柵相比,采用尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)后,尾跡損失大幅降低,靜壓系數(shù)有所提升,但出口氣流角有略微減小。而尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)的三個關(guān)鍵參數(shù)(鋸齒頂角φ,弦長λ/H及展向位置h/H)則是影響鋸齒結(jié)構(gòu)控制葉柵氣動性能的主要因素,根據(jù)本文的研究結(jié)果,當(dāng)采用頂角φ=45°,弦長λ/H=12.5%的鋸齒結(jié)構(gòu)位于距離端壁h/H=12.5%葉高位置(正對角區(qū)低能流體的核心位置)可以使得葉柵總壓損失系數(shù)降低達(dá)到8.9%,靜壓系數(shù)提升2.2%,但出口氣流角則減小了0.93°。對于最優(yōu)參數(shù)組合(φ=45o,h/H=12.5%,λ/H=12.5%)的尾緣鋸齒葉柵,分別從變攻角和變來流馬赫數(shù)兩種不同的非設(shè)計(jì)工況形式對尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)影響葉柵氣動性能的機(jī)理進(jìn)行了進(jìn)一步的分析。結(jié)果表明尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)有良好的適應(yīng)性,可以在較大攻角變化范圍及較大來流馬赫數(shù)變化范圍內(nèi)提升葉柵氣動性能。當(dāng)來流馬赫數(shù)為Ma=0.5時,最多可以使得葉柵總壓損失系數(shù)下降9.3%。因此,作為一種被動流動控制手段,尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)有較強(qiáng)的適用性和應(yīng)用前景。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V232
【部分圖文】：

圖 1-1 貓頭鷹的初級飛羽[11]通過學(xué)者們的長期觀察與研究，人們對貓頭鷹在數(shù)百萬年的進(jìn)化過程來的噪音抑制裝置已經(jīng)有所了解。Graham[10]觀察到貓頭鷹羽毛（圖 11-2[11]）與其他鳥類羽毛的三個不同之處：1）初級飛羽前緣的梳狀/鋸；2）初級飛羽尾緣的流蘇形狀；以及 3）覆蓋羽毛表面的絨毛。他認(rèn)些特征使得貓頭鷹獲得靜音飛行的本領(lǐng)。Lilley[12]的工作表明，谷倉羽尾緣上的鋸齒結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的尾緣不連續(xù)性減弱了聲音的散射，并促壓力面和吸力面邊界層之間的混合，致使寬頻噪音降低了 6-7dB。在鷹身上，鋸齒結(jié)構(gòu)用作一種被動流動控制機(jī)理用來控制羽翼末梢的空通過制造小的擾動并沿弦向方向在翅膀上傳播，流動分離可以被推遲攻角，同時飛行升力得以提高，而由翅膀產(chǎn)生的噪音卻因此減小。飛鋸齒結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生保持翅膀穩(wěn)定的作用要大于減噪作用，而飛羽尾緣的則會為鸮類靜音飛行產(chǎn)生更大的貢獻(xiàn)。Lilley 還指出，谷倉貓頭鷹初緣的鋸齒結(jié)構(gòu)相對于減少噪音，更多的功能是用于保持貓頭鷹飛行的

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文/ η 是 Kolmogorov 長度尺度，其定義為流體中湍流旋渦的最小長度尺 是湍動能耗散率。Lilley 還觀測到，谷倉貓頭鷹飛羽尾緣的流蘇結(jié)構(gòu)羽羽翼下方域移動而與相鄰飛羽合并，而且絨毛表面和尾緣流蘇結(jié)構(gòu)解成較小的結(jié)構(gòu)，并相互作用。

圖 1-3 倉鸮羽毛（A-E）與鴿子羽毛（F-J）的細(xì)節(jié)對比Bachmann 和 Wagner[15]對倉鸮羽翼的鋸齒進(jìn)行了定量分析及研究，對比鋸齒形狀的弧長、寬度、曲率及與自由來流有關(guān)的角度。該研究發(fā)現(xiàn)，在這參數(shù)變化中，有許多的變化趨勢與它們的展向位置有關(guān)，這可能表明前緣和緣被動控制的最佳設(shè)計(jì)同時取決于弦向長度與展向長度，并可能遵循一個特的分布。其研究發(fā)現(xiàn)鋸齒結(jié)構(gòu)的弧長從根部到尖端不斷增長，到 60%展向位以后又向尖端方向急劇下降，曲率也有類似的趨勢。同時，鋸齒結(jié)構(gòu)與自由流間的角度從 0%展向位置的 70 度變?yōu)榧舛说?148 度，近似接近拋物型分布Kroeger[16]等人通過鸮類翅膀的風(fēng)洞試驗(yàn)，采用流場可視化技術(shù)，觀察了氣經(jīng)過翅膀表面的流場并探討了湍流邊界層在柔性表面的衰減。他們重點(diǎn)考察前緣鋸齒的抑聲作用，認(rèn)為前緣鋸齒起著渦流發(fā)生器(vortex generator)的用，同前緣縫翼(leading edge slot)與翼尖羽毛(tip feather)協(xié)同促進(jìn)附面層流羽翼表面，抑制邊界層噪聲的產(chǎn)生。圖 1-4 展示了 Kroeger 等對未移除鋸齒緣與移除鋸齒前緣的鸮翼表面的邊界層流線形式的對比。
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 仝帆;喬渭陽;王良鋒;紀(jì)良;王勛年;;仿生學(xué)翼型尾緣鋸齒降噪機(jī)理[J];航空學(xué)報;2015年09期

2 張海燈;吳云;李應(yīng)紅;趙勤;;高速壓氣機(jī)葉柵旋渦結(jié)構(gòu)及其流動損失研究[J];航空學(xué)報;2014年09期

3 張學(xué)迅;趙曉路;徐建中;;鋸齒尾緣對翼型氣動性能影響的數(shù)值模擬研究[J];工程熱物理學(xué)報;2013年05期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 陳坤;三種鸮形態(tài)學(xué)、飛行運(yùn)動學(xué)特征規(guī)律及其仿生研究[D];吉林大學(xué);2012年

本文編號：2874922