本文關(guān)鍵詞：軸流壓氣機角區(qū)分離流動損失機理及流動控制策略研究

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【摘要】：作為壓氣機內(nèi)部一種特有的流動失穩(wěn)現(xiàn)象,三維角區(qū)分離是未來高性能航空發(fā)動機高負荷壓氣機設(shè)計中最重要的影響因素之一,從而制約著壓氣機性能的進一步提高。為了提高對三維角區(qū)分離現(xiàn)象流動機理及相關(guān)流動損失控制技術(shù)的認識水平,本文圍繞航空軸流壓氣機中三維角區(qū)分離現(xiàn)象,開展了壓氣機三維角區(qū)分離現(xiàn)象的物理機理、三維角區(qū)分離形成過程中所存在的邊界層流動轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象流動物理機制和三維角區(qū)分離流動控制技術(shù)等三個方面的研究工作。論文的主要研究工作和貢獻如下:(1)高性能壓氣機葉片三維角區(qū)分離現(xiàn)象的物理機理研究。本文對壓氣機三維角區(qū)分離現(xiàn)象的形成發(fā)展機制進行了詳細的數(shù)值模擬研究,對壓氣機葉柵通道端壁二次流結(jié)構(gòu)進行了更為完善的拓撲分析,揭示了壓氣機三維角區(qū)分離的形成機制:壓氣機葉片前緣渦系結(jié)構(gòu)來源于來流邊界層的分層現(xiàn)象;集中脫落渦來源于前緣角渦吸力面分支;前緣馬蹄渦吸力面分支和相鄰葉片的壓力面分支在葉片通道中匯合,并卷吸來流端壁邊界層從而形成通道馬蹄渦;通道馬蹄渦在通道渦的橫向壓力梯度的作用下,向葉片吸力面尾緣/端壁所在角區(qū)堆積、并卷吸角區(qū)回流,就形成了壓氣機葉柵三維角區(qū)分離。其中,角區(qū)回流與通道馬蹄渦作用所形成的三維角區(qū)分離起始渦,是影響三維角區(qū)分離現(xiàn)象發(fā)生、發(fā)展的主要驅(qū)動因素。(2)論文分析了影響三維角區(qū)分離形成發(fā)展的各種因素,發(fā)現(xiàn)前緣馬蹄渦向通道馬蹄渦衍化的過程是形成三維角區(qū)分離的直觀因素,而葉片通道中的逆壓梯度和橫向壓力梯度則是產(chǎn)生三維角區(qū)分離現(xiàn)象的根本原因;基于此,論文發(fā)展完善了判別三維角區(qū)分離/失速大小的新判據(jù),并分析了來流攻角和進口邊界層厚度對三維角區(qū)分離新判據(jù)的影響規(guī)律。(3)論文首次深入地探索研究了壓氣機三維角區(qū)分離過程中邊界層存在的三種流動轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象:葉片吸力面層流-湍流分離轉(zhuǎn)捩、旁路轉(zhuǎn)捩和逆轉(zhuǎn)捩,揭示了三種邊界層轉(zhuǎn)捩機制對壓氣機三維角區(qū)分離發(fā)生、發(fā)展的影響機理:逆轉(zhuǎn)捩的發(fā)生決定著三維角區(qū)分離起始的位置;雖然分離轉(zhuǎn)捩和旁路轉(zhuǎn)捩會影響到三維角區(qū)的發(fā)展和徑向范圍,但是,就其本質(zhì)而言,這兩種轉(zhuǎn)捩的存在與否,并不影響三維角區(qū)分離/失速的發(fā)生。通過對轉(zhuǎn)捩模型、來流湍流度水平和湍流長度尺度的研究,論文總結(jié)分析了各參數(shù)對于邊界層轉(zhuǎn)捩數(shù)值預(yù)測的影響和對三維角區(qū)分離的影響規(guī)律,歸納出了可以指導(dǎo)高性能壓氣機葉片流動控制的相關(guān)結(jié)論。(4)論文對高性能壓氣機葉片三維角區(qū)分離現(xiàn)象的流動控制方案進行了系統(tǒng)的數(shù)值模擬研究,分別研究了端壁單槽吸氣法的軸向、周向開槽位置、吸氣流量率、吸氣槽大小,端壁分段吸氣法吸氣槽位置設(shè)計和吸氣流量率,葉片吸力面吸氣法軸向開槽位置、吸氣槽長寬比和吸氣流量率,以及端壁角區(qū)開槽射流法射流角和射流流量率對三維角區(qū)分離的控制規(guī)律,給出了可以指導(dǎo)工程應(yīng)用的、更加完善的流動控制方案參數(shù)化設(shè)計準則。基于此,論文對四種流動控制方案控制效果和控制機理進行了對比,得到了適于本文壓氣機三維角區(qū)分離及其損失抑制的最佳流動控制方案:端壁單槽MTE吸氣和吸力面SS3吸氣。在此基礎(chǔ)上,論文對最優(yōu)流動控制方案——端壁單槽吸氣MTE進行了詳細的實驗研究,論證了針對流動控制技術(shù)的數(shù)值模擬方法的可靠性;對正負攻角下壓氣機葉柵性能參數(shù)隨MTE吸氣的變化規(guī)律進行實驗研究,分析了真實實驗條件下MTE吸氣槽對壓氣機葉柵角區(qū)流動的改善和對壓氣機葉柵氣動性能的提升。
【關(guān)鍵詞】：壓氣機三維角區(qū)分離 邊界層轉(zhuǎn)捩 端壁單槽吸氣 端壁分段吸氣 吸力面邊界層吸氣 端壁角區(qū)射流 MTE吸氣槽
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V233
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 緒論12-48
• 1.1 研究工作背景12-14
• 1.1.1 高負荷壓氣機是未來高性能航空發(fā)動機的重要發(fā)展方向12-13
• 1.1.2 角區(qū)分離是高負荷壓氣機內(nèi)部特有的一種重要流動現(xiàn)象13
• 1.1.3 壓氣機三維角區(qū)分離現(xiàn)象帶來的危害13-14
• 1.2 壓氣機三維角區(qū)分離/失速物理機制研究評述14-28
• 1.2.1 壓氣機三維角區(qū)分離流動物理機制研究進展14-16
• 1.2.2 壓氣機三維角區(qū)分離/失速流動拓撲結(jié)構(gòu)的研究進展16-25
• 1.2.3 壓氣機三維角區(qū)分離對旋轉(zhuǎn)失速影響的研究進展25-26
• 1.2.4 壓氣機三維角區(qū)分離/失速影響因素研究進展26-28
• 1.3 壓氣機三維角區(qū)分離/失速相關(guān)經(jīng)驗判據(jù)研究評述28-38
• 1.3.1 de Haller數(shù)DH29-30
• 1.3.2 Lieblein的擴散因子DF30-31
• 1.3.3 Lei的擴散系數(shù)D和失速指數(shù)S31-34
• 1.3.4 Yu的失速指數(shù)Sw和修正耗散因子Dm34-36
• 1.3.5 Gbadebo的相對位移厚度36-37
• 1.3.6 Dring的堵塞因子K和Khalid的阻塞因子Z37-38
• 1.4 壓氣機三維角區(qū)分離/失速控制技術(shù)研究進展38-44
• 1.4.1 邊界層吸氣39-41
• 1.4.2 邊界層吹氣（射流）41-44
• 1.5 本文的研究工作44-48
• 1.5.1 研究目的44-45
• 1.5.2 論文內(nèi)容及組織結(jié)構(gòu)45-48
• 第二章 數(shù)值模擬與葉柵實驗方法48-68
• 2.1 引言48-50
• 2.1.1 葉輪機內(nèi)流研究方法的發(fā)展48
• 2.1.2 軸流壓氣機流動數(shù)值模擬方法概述48-50
• 2.2 湍流大渦模擬方法50-52
• 2.2.1 湍流場Navier-Stokes方程50-51
• 2.2.2 大渦模擬控制方程51
• 2.2.3 亞格子應(yīng)力模型——WALE模型51-52
• 2.3 耦合轉(zhuǎn)捩模型的非定常雷諾平均（URANS）方法52-63
• 2.3.1 URANS方法控制方程52-53
• 2.3.2 湍流模型53-59
• 2.3.3 轉(zhuǎn)捩模型59-63
• 2.4 壓氣機葉柵實驗方法63-64
• 2.4.1 高亞音速壓氣機靜子葉柵實驗風(fēng)洞63
• 2.4.2 葉柵實驗段和測試方案63-64
• 2.5 數(shù)據(jù)分析方法64-66
• 2.6 本章小結(jié)66-68
• 第三章 壓氣機葉柵三維角區(qū)分離流動機理研究68-98
• 3.1 RANS方法數(shù)值模型68-70
• 3.1.1 研究對象68
• 3.1.2 算例設(shè)置68-69
• 3.1.3 計算域、網(wǎng)格及邊界條件設(shè)置69
• 3.1.4 求解設(shè)置69-70
• 3.2 壓氣機葉柵角區(qū)分離機理的數(shù)值及實驗研究70-82
• 3.2.1 壓氣機葉柵氣動性能的數(shù)值與實驗研究結(jié)果對比70-72
• 3.2.2 壓氣機葉柵通道端壁二次流結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬研究72-79
• 3.2.3 壓氣機葉柵通道端壁二次流結(jié)構(gòu)拓撲79-81
• 3.2.4 壓氣機葉柵三維角區(qū)分離流動結(jié)構(gòu)分析81-82
• 3.3 進口邊界層厚度影響的數(shù)值模擬研究82-87
• 3.3.1 進口邊界層厚度的選取82-83
• 3.3.2 進口邊界層厚度變化對角區(qū)分離的影響83-85
• 3.3.3 進口邊界層厚度變化對葉柵氣動損失的影響85-87
• 3.4 來流攻角影響的數(shù)值模擬研究87-91
• 3.4.1 來流攻角變化對葉柵氣動性能的影響87-88
• 3.4.2 來流攻角變化對角區(qū)分離的影響88-89
• 3.4.3 來流攻角變化對于葉柵出口氣動損失的影響89-91
• 3.5 壓氣機三維角區(qū)分離/失速判據(jù)的發(fā)展完善91-96
• 3.5.1 壓氣機三維角區(qū)分離/失速新判據(jù)91-94
• 3.5.2 三維角區(qū)分離/失速判據(jù)的討論分析94-96
• 3.6 本章小結(jié)96-98
• 第四章 壓氣機葉柵三維角區(qū)邊界層流動轉(zhuǎn)捩機制數(shù)值模擬研究98-114
• 4.1 LES方法數(shù)值模型98-99
• 4.1.1 研究對象、計算域與計算網(wǎng)格98
• 4.1.2 邊界條件設(shè)置98-99
• 4.1.3 求解設(shè)置99
• 4.2 基于LES方法的壓氣機葉柵三維角區(qū)邊界層轉(zhuǎn)捩機制研究99-104
• 4.2.1 葉片表面邊界層流動轉(zhuǎn)捩特征數(shù)值分析及與實驗結(jié)果對比99-101
• 4.2.2 三種轉(zhuǎn)捩機制對三維角區(qū)分離的影響101-103
• 4.2.3 三種轉(zhuǎn)捩機制的頻譜特性103-104
• 4.3 基于耦合轉(zhuǎn)捩模型RANS方法的壓氣機三維角區(qū)邊界層轉(zhuǎn)捩機制研究104-106
• 4.3.1 轉(zhuǎn)捩模型的選取104-105
• 4.3.2 壓氣機三維角區(qū)邊界層轉(zhuǎn)捩過程的數(shù)值分析105-106
• 4.3.3 壓氣機三維角區(qū)邊界層轉(zhuǎn)捩對葉柵氣動性能的影響106
• 4.4 來流湍流度水平對邊界層轉(zhuǎn)捩及三維角區(qū)分離的數(shù)值預(yù)測影響106-109
• 4.4.1 來流湍流度參數(shù)設(shè)置106-107
• 4.4.2 來流湍流度水平對邊界層轉(zhuǎn)捩及角區(qū)分離預(yù)測影響107-108
• 4.4.3 來流湍流度水平對葉柵氣動損失預(yù)測影響108-109
• 4.5 湍流長度尺度對邊界層轉(zhuǎn)捩及三維角區(qū)分離的數(shù)值預(yù)測影響109-112
• 4.5.1 湍流長度尺度研究參數(shù)設(shè)置109-110
• 4.5.2 湍流長度尺度對邊界層轉(zhuǎn)捩與角區(qū)分離的預(yù)測影響110-111
• 4.5.3 湍流長度尺度對葉柵氣動損失的預(yù)測影響111-112
• 4.6 本章小結(jié)112-114
• 第五章 壓氣機葉柵角區(qū)分離流動控制數(shù)值模擬研究114-162
• 5.1 端壁單槽吸氣114-132
• 5.1.1 端壁單槽吸氣軸向位置研究114-119
• 5.1.2 端壁單槽吸氣周向位置研究119-123
• 5.1.3 端壁吸氣槽尺寸研究123-129
• 5.1.4 吸氣流量率研究129-132
• 5.2 端壁分段吸氣132-136
• 5.2.1 分段吸氣槽位置設(shè)計132-133
• 5.2.2 分段吸氣槽數(shù)值模擬方法133
• 5.2.3 端壁邊界層分段吸氣對壓氣機葉柵氣動性能的影響133-134
• 5.2.4 端壁邊界層分段吸氣對三維角區(qū)分離的控制效果134-136
• 5.3 葉片吸力面邊界層吸氣136-149
• 5.3.1 吸力面吸氣槽軸向開槽位置研究137-141
• 5.3.2 吸力面邊界層吸氣槽長寬比研究141-145
• 5.3.3 吸力面邊界層吸氣流量率研究145-149
• 5.4 端壁角區(qū)射流149-156
• 5.4.1 端壁角區(qū)射流數(shù)值模擬方法149
• 5.4.2 端壁角區(qū)射流角研究149-152
• 5.4.3 端壁角區(qū)射流流量率研究152-156
• 5.5 四種流動控制措施效果對比156-159
• 5.5.1 參與對比的流動控制方案選擇156-157
• 5.5.2 各方案對葉柵氣動性能的影響對比157
• 5.5.3 各方案對三維角區(qū)分離的控制效果對比157-159
• 5.6 本章小結(jié)159-162
• 第六章 壓氣機葉柵角區(qū)分離流動控制技術(shù)實驗研究162-172
• 6.1 基于端壁單槽吸氣法的壓氣機葉柵實驗設(shè)置162
• 6.2 設(shè)計狀態(tài)下MTE吸氣槽吸氣流量率對于壓氣機葉柵性能的影響162-166
• 6.2.1 設(shè)計狀態(tài)下MTE吸氣流量率變化對葉柵性能影響的數(shù)值與實驗對比162-163
• 6.2.2 采用MTE吸氣的壓氣機葉柵性能參數(shù)變化的校正方法163-165
• 6.2.3 設(shè)計狀態(tài)下MTE吸氣槽對壓氣機葉柵出口當?shù)貧鈩訐p失的影響165-166
• 6.3 MTE吸氣槽對壓氣機攻角特性的影響166-170
• 6.3.1 MTE吸氣槽對壓氣機攻角特性影響趨勢166-167
• 6.3.2 來流正攻角時MTE吸氣槽對壓氣機葉柵氣動性能的影響167-169
• 6.3.3 來流負攻角時MTE吸氣槽對壓氣機葉柵氣動性能的影響169-170
• 6.4 本章小結(jié)170-172
• 第七章 研究總結(jié)和展望172-178
• 7.1 主要研究結(jié)論172-176
• 7.2 主要創(chuàng)新點176-177
• 7.3 研究展望177-178
• 參考文獻178-188
• 致謝188-190
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文190-191

，

本文編號：935441