現(xiàn)代大涵道比渦扇發(fā)動機采用高負荷或超高負荷低壓渦輪葉片設計,提高葉片負荷能夠減小渦輪葉片數(shù)量,減輕渦輪重量,但會導致葉片附面層易于分離,特別是低壓渦輪通常工作在低雷諾數(shù)環(huán)境下,將導致嚴重的葉型損失,降低低壓渦輪效率。利用低壓渦輪轉(zhuǎn)靜子相對運動產(chǎn)生的上游尾跡可以控制下游葉片附面層的流動發(fā)展。因此深入研究并理解上游尾跡與附面層相互作用的規(guī)律,有助于高負荷或超高負荷低壓渦輪葉片的設計。采用高負荷葉片設計的低壓渦輪葉片吸力面會出現(xiàn)分離泡,分離泡和湍流損失受到分離剪切層轉(zhuǎn)捩的影響。然而尾跡誘導轉(zhuǎn)捩、自然轉(zhuǎn)捩與Klebanoff條紋誘導的不穩(wěn)定性使得轉(zhuǎn)捩過程十分復雜。本文研究了三種工況下的上游尾跡在高負荷低壓渦輪葉片附面層的影響。本文基于PAKB葉型,使用數(shù)值模擬方法,并輔以實驗,針對上游尾跡對渦輪附面層的影響展開研究。研究主要通過CFX軟件進行LES數(shù)值模擬,并輔以葉柵實驗,針對低壓渦輪高負荷葉片設計問題,從以下兩個方面展開研究工作:（1）本文將尾跡在葉柵通道內(nèi)的形態(tài)發(fā)展劃分為尾跡尾部與尾跡中心,分析了上游尾跡對條紋與壁面剪力的影響。尾跡在進入葉柵通道后,尾跡中心不與葉片前緣直接接觸,因負射流效... 

【文章來源】：中國民航大學天津市

【文章頁數(shù)】：71 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

葉型損失來源中各項分量所占比重[4]

中國民航大學碩士學位論文4止且基本維持層流，被稱為“死水區(qū)”[14]。主流流動會受到分離泡的位移效益影響，減小局部流向逆壓梯度，這使得分離泡區(qū)域的流向逆壓梯度可降低至接近0的水平，對應的壓力分布將呈現(xiàn)“平臺”狀。該“平臺狀”的壓力分布始于分離起始位置，并終止于分離泡最大位移厚度處。同時，由于轉(zhuǎn)捩發(fā)生，增強壁面的法向動量交換，分離泡厚度與位移效應隨流向距離增加而減小，最終分離剪切層于再附點重新附著于壁面，形成閉式分離泡，同時壓力分布恢復至附著附面層對應的水平。圖1-2經(jīng)典層流分離泡時均流動結(jié)構(gòu)[13]分離泡的出現(xiàn)將使得低壓渦輪葉片的葉型損失增加，而吸力面產(chǎn)生的損失占葉型損失的60%，是葉型損失的主要來源。Howell等[5]的研究表明，吸力面產(chǎn)生的損失主要與吸力面邊界層流動分離、轉(zhuǎn)捩、再附等現(xiàn)象有關(guān)。Hourmouziadis等[15]的研究表明，分離泡導致的流動損失主要是轉(zhuǎn)捩過程中的流動摻混以及分離泡的尺寸決定的，再附后表征粘性損失的附面層動量厚度隨分離泡最大位移厚度的增加而增加。通常層流分離泡分為“長”與“短”兩種類型。Owen等[16]以分離泡的物理長度與附面層位移厚度之間的關(guān)系進行區(qū)分，短分離泡的長度與位移厚度呈100倍關(guān)系，而長分離泡則為10000倍。Crabtree[17]和Mayle[6]則認為應當使用分離泡對壁面壓力分布的影響程度作為區(qū)分長短分離泡的依據(jù)。短分離泡位移效應弱，影響局部壁面壓力分布，分離泡前后壓力分布與與附著附面層壓力分布區(qū)別不是很大，分離導致的流動損失也較校而長分離泡位移效應強，影響壁面壓力分布更為明

中國民航大學碩士學位論文5顯，會導致嚴重的流動損失。因此，盡量長分離泡的出現(xiàn)。1.2.2均勻來流下的附面層轉(zhuǎn)捩轉(zhuǎn)捩是附面層由層流向湍流過渡的過程，是低壓渦輪內(nèi)部流動中一種相當重要的流動現(xiàn)象。轉(zhuǎn)捩大致分為自然轉(zhuǎn)捩、旁路轉(zhuǎn)捩和分離流轉(zhuǎn)捩。下面將對這三種轉(zhuǎn)捩模式進行簡單的介紹。自然轉(zhuǎn)捩：平板附著邊界層自然轉(zhuǎn)捩的過程如圖1-3所示[12]。自由流湍流度（FSTI）很低（FSTI<1%），層流附面層受到小擾動影響，形成二維TS（Tollmien-Schlichting）不穩(wěn)定波。二維TS波會經(jīng)歷線性放大過程，在向下游運動的過程中因二次不穩(wěn)定性發(fā)生彎曲與變形，并發(fā)展為三維波，形成三維流向渦結(jié)構(gòu)（Lambda渦），隨后Lambda渦卷起并形成渦環(huán)結(jié)構(gòu)。渦環(huán)在局部高剪力作用下會破碎形成湍斑。湍斑會不斷向四周擴散，并在向下游傳播的過程中不斷的增長、合并，最后使附面層由層流狀態(tài)發(fā)展為湍流狀態(tài)。自然轉(zhuǎn)捩的主要特點是轉(zhuǎn)捩過程中能夠觀測到TS波的形成與線性放大過程。圖1-3零壓力梯度下平板邊界層的自然轉(zhuǎn)捩過程[12]旁路轉(zhuǎn)捩：當高自由流湍流度或葉片表面粗糙度較大時，湍斑不需要經(jīng)歷TS波的線性放大過程就可以直接形成。這種模式縮短了不穩(wěn)定層流區(qū)的長度，使得附面層轉(zhuǎn)捩過程提前。Mayle[6]指出低壓渦輪的自由流湍流度一般較高，旁路轉(zhuǎn)捩是低壓渦輪內(nèi)最為常見的轉(zhuǎn)捩模式。Johnson[18]指出自由流湍流度TSTI>1%時


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