本文關(guān)鍵詞：低壓渦輪葉片表面邊界層流動(dòng)特性研究

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【摘要】：低壓渦輪在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中占有重要地位,其效率的高低直接影響著整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提高,對低壓渦輪提出了更高的要求,為此發(fā)展高負(fù)荷低壓渦輪葉片,提高葉片效率成為了當(dāng)今航空發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的必要趨勢。由于低壓渦輪工作雷諾數(shù)較低,隨著葉片負(fù)荷的增加,葉片表面邊界層極易發(fā)生分離、轉(zhuǎn)捩及再附著等現(xiàn)象,從而會導(dǎo)致葉片效率降低,進(jìn)而使得整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)性能惡化。為此對低壓渦輪葉片表面邊界層的流動(dòng)特性研究具有非常重要的意義。本文首先研究了定常來流條件下來流湍動(dòng)度、來流攻角及雷諾數(shù)對現(xiàn)有的T106A葉片表面邊界層發(fā)展轉(zhuǎn)捩過程的影響,通過研究發(fā)現(xiàn)來流湍動(dòng)度是影響邊界層流動(dòng)特性的重要參數(shù)。當(dāng)來流湍動(dòng)度高于4%時(shí),葉片表面邊界層主要發(fā)生自然轉(zhuǎn)捩或者旁路轉(zhuǎn)捩過程過程并不會產(chǎn)生邊界層分離現(xiàn)象,當(dāng)來流湍動(dòng)度低于3%時(shí)邊界層主要發(fā)生分離轉(zhuǎn)捩過程并且會產(chǎn)生明顯的邊界層分離現(xiàn)象。來流攻角則主要影響葉片前緣邊界層流動(dòng)特性,而雷諾數(shù)則會顯著的影響葉片尾部區(qū)吸力側(cè)邊界層的流動(dòng)特性,當(dāng)流動(dòng)雷諾數(shù)低于26000,邊界層會發(fā)生嚴(yán)重的開式分離,會極大的降低了葉片效率。在周期性尾跡的非常來流條件下,研究了尾跡在葉柵流道中的整個(gè)輸運(yùn)過程,分析了尾跡在輸運(yùn)過程中形狀變化及再定向過程。通過分析葉片尾部吸力側(cè)邊界層區(qū)域的流線、渦量及速度大小等參數(shù)隨著時(shí)間的變化情況,可以認(rèn)為在葉片尾部區(qū)域吸力側(cè)的分離泡會隨著尾跡的向下游移動(dòng)周期性的產(chǎn)生與消失。通過刻畫三個(gè)尾跡掃掠周期中的吸力側(cè)邊界層的位移厚度、動(dòng)量厚度及形狀因子等參數(shù)的時(shí)空變化云圖來分析了尾跡對邊界層的影響過程,并認(rèn)為尾跡之后的寂靜區(qū)的“Calming”效應(yīng)對抑制邊界層的分離起到了重要的作用。運(yùn)用了耗散函數(shù)來分析了葉柵流道中局部損失分布規(guī)律,并發(fā)現(xiàn)在葉片前緣近壁區(qū)、葉片尾部吸力側(cè)分離區(qū)與主流交界處及葉柵尾跡區(qū)域都存在有很大的速度梯度,屬于高能量耗散區(qū)域,而分離泡內(nèi)的回流區(qū)的速度梯度相對較小,僅為低速流體的聚集區(qū),而非能量損失的來源。在不同雷諾數(shù)下研究了尾跡抑制邊界層分離的作用機(jī)理,發(fā)現(xiàn)流動(dòng)雷諾數(shù)越低,尾跡對葉片性能提升效果越明顯,當(dāng)流動(dòng)雷諾數(shù)為26000時(shí),葉片時(shí)均效率較無尾跡時(shí)提高了1.1%,極大的提高了葉片工作性能的穩(wěn)定性。尾跡對邊界層的抑制機(jī)理為高負(fù)荷葉片的設(shè)計(jì)提供了重要的參考。本文還研究了渦流發(fā)生器對邊界層的流動(dòng)控制機(jī)理,通過設(shè)計(jì)了三種不同振幅、不同波數(shù)及不同位置的渦流發(fā)生器來研究對葉片吸力側(cè)邊界層的控制效果。最終研究表明渦流發(fā)生器可以加速邊界層的轉(zhuǎn)捩過程,通過渦流發(fā)生器中的旋渦的卷吸作用將主流中的高能流體注入到邊界層內(nèi)部,從而提升了邊界層流體的動(dòng)量,極大的抑制住了邊界層的分離。并且還發(fā)現(xiàn)渦流發(fā)生器的振幅變化對控制邊界層的效果最為明顯。在較高流動(dòng)雷諾數(shù)條件下,渦流發(fā)生器會增加葉片流動(dòng)損失,降低葉片效率,而在較低流動(dòng)雷諾數(shù)條件下,渦流發(fā)生器則會減少吸力側(cè)分離泡大小,較為明顯的提升葉片效率。
【關(guān)鍵詞】：低壓渦輪 低雷諾數(shù) 邊界層轉(zhuǎn)捩 周期性尾跡 流動(dòng)控制
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V231
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-34
• 1.1 研究背景及意義11-12
• 1.2 低壓渦輪的特點(diǎn)12-18
• 1.3 定常流動(dòng)18-26
• 1.3.1 邊界層的轉(zhuǎn)捩18-24
• 1.3.2 湍流斑24-26
• 1.4 非定常流動(dòng)26-31
• 1.4.1 尾跡與邊界層之間的相互關(guān)系26-29
• 1.4.2 尾跡在低壓渦輪通道內(nèi)的輸運(yùn)特性29-30
• 1.4.3 尾跡誘導(dǎo)邊界層轉(zhuǎn)捩30-31
• 1.5 邊界層的流動(dòng)控制31-32
• 1.5.4 主動(dòng)控制31
• 1.5.5 被動(dòng)控制31-32
• 1.6 本文研究的主要內(nèi)容和目的32-34
• 第2章 數(shù)值方法及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證34-53
• 2.1 引言34
• 2.2 湍流模型34-37
• 2.2.1 一方程模型34
• 2.2.2 兩方程模型34-36
• 2.2.3 SST模型36-37
• 2.3 轉(zhuǎn)捩模型37-43
• 2.3.1 γ-θ 轉(zhuǎn)捩模型38-41
• 2.3.2 一方程 γ 轉(zhuǎn)捩模型41-43
• 2.4 數(shù)值驗(yàn)證及轉(zhuǎn)捩模型選擇43-51
• 2.4.1 平板數(shù)值模擬43-46
• 2.4.2 T106A葉片數(shù)值模擬驗(yàn)證46-51
• 2.5 本章小結(jié)51-53
• 第3章 定常來流下T106A葉片表面流動(dòng)特性研究53-65
• 3.1 引言53
• 3.2 不同湍動(dòng)度下的T106A葉片邊界層流動(dòng)特性分析53-58
• 3.2.1 不同湍動(dòng)度數(shù)值模擬方案53
• 3.2.2 不同湍動(dòng)度數(shù)值模擬結(jié)果分析53-58
• 3.3 不同攻角下的T106A葉片邊界層流動(dòng)特性分析58-61
• 3.3.1 不同攻角數(shù)值模擬方案58-59
• 3.3.2 不同攻角數(shù)值模擬結(jié)果分析59-61
• 3.4 不同雷諾數(shù)下的T106A葉片邊界層流動(dòng)特性分析61-63
• 3.4.1 不同流動(dòng)雷諾數(shù)數(shù)值模擬方案61
• 3.4.2 不同流動(dòng)雷諾數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果分析61-63
• 3.5 本章小結(jié)63-65
• 第4章 非定常尾跡下邊界層流動(dòng)特性研究65-113
• 4.1 引言65-66
• 4.2 非定常尾跡條件下的研究方法66-69
• 4.2.1 幾何模型網(wǎng)格劃分66-67
• 4.2.2 邊界條件設(shè)置67-69
• 4.3 實(shí)驗(yàn)工況條件下尾跡作用下葉片邊界層流動(dòng)分析69-97
• 4.3.1 尾跡在葉柵流道中的輸運(yùn)過程69-75
• 4.3.2 尾跡對吸力側(cè)擴(kuò)壓段局部流場的影響75-80
• 4.3.3 尾跡干擾下葉片吸力側(cè)邊界層內(nèi)流動(dòng)定量分析80-94
• 4.3.4 尾跡對葉柵流道內(nèi)流動(dòng)損失的影響94-97
• 4.4 不同雷諾數(shù)下尾跡對吸力側(cè)邊界層內(nèi)流動(dòng)的影響97-110
• 4.4.1 定常與非定常模擬時(shí)均化結(jié)果比較97-102
• 4.4.2 葉片尾部區(qū)邊界層流場參數(shù)演化102-110
• 4.5 本章小結(jié)110-113
• 第5章 基于旋渦擾動(dòng)的邊界層流動(dòng)控制機(jī)理研究113-142
• 5.1 引言113
• 5.2 葉片幾何模型、網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證113-116
• 5.3 不同渦流發(fā)生器葉柵流道內(nèi)流動(dòng)特性分析116-140
• 5.3.1 振幅A對葉片邊界層流動(dòng)特性分析117-126
• 5.3.2 波數(shù)N對葉片邊界層流動(dòng)特性分析126-133
• 5.3.3 位置L對葉片邊界層流動(dòng)特性分析133-140
• 5.4 本章小結(jié)140-142
• 結(jié)論142-145
• 參考文獻(xiàn)145-153
• 致謝153

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