本文關(guān)鍵詞：S彎進(jìn)氣道出口畸變控制及其對跨聲速風(fēng)扇流場影響研究

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【摘要】：自上世紀(jì)中葉以來,隨著人類對航空飛行器尤其是導(dǎo)彈和軍用飛機(jī)生存能力要求的不斷提高,S彎進(jìn)氣道因其隱身性好、結(jié)構(gòu)緊湊、便于維修等諸多優(yōu)點(diǎn),受到國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注并被逐漸投入使用。然而,其出口畸變通常較大,對工作其后的氣動部件極為不利。因此,深入研究該類進(jìn)氣道內(nèi)部流動特性、出口畸變形成機(jī)理以及對后續(xù)部件氣動性能、流場結(jié)構(gòu)影響,對于改善其后氣流流動乃至提高整個發(fā)動機(jī)氣動性能、拓展其應(yīng)用范圍都具有重要意義。目前,有關(guān)S彎進(jìn)氣道的研究大多單獨(dú)針對進(jìn)氣道,而將S彎進(jìn)氣道與其后風(fēng)扇或壓氣機(jī)作為整體研究的相對較少。為此,本文首先針對某小型渦扇發(fā)動機(jī)風(fēng)扇級,設(shè)計一半埋入式S彎進(jìn)氣道并對其進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化。鑒于結(jié)構(gòu)優(yōu)化對進(jìn)氣道內(nèi)部流動改善幅度有限,進(jìn)一步對優(yōu)化后進(jìn)氣道進(jìn)行了吹、吸氣流動控制研究。分析發(fā)現(xiàn),吹氣位置變化顯著影響吹氣控制效果,氣流分離點(diǎn)之前吹氣后分離起始位置后移,分離區(qū)域內(nèi)吹氣,則在分離點(diǎn)與吹氣點(diǎn)之間出現(xiàn)小范圍氣流分離,吹氣點(diǎn)之后分離氣流重新附著。第1彎底部吹氣可抑制“對渦”雛形生成和流動分離發(fā)生,為最佳吹氣位置。為避免吹出的氣流與進(jìn)氣道內(nèi)主流發(fā)生摻混,吹氣量不宜過大,吹氣角需盡量保證吹出的氣流始終位于附面層內(nèi)。喉部吸氣既可使其后較大范圍的流場受益,又可較好地抑制“對渦”雛形形成和流動分離發(fā)生,為最佳吸氣位置。吸氣角的選擇需綜合考慮附面層內(nèi)氣流方向、主流方向以及附面層厚度。優(yōu)選出最佳吹、吸氣方案的基礎(chǔ)上,將兩者組合實(shí)施吹吸氣組合流動控制,發(fā)現(xiàn)其效果并非單獨(dú)吹氣和單獨(dú)吸氣時對應(yīng)效果的簡單疊加,該方案下進(jìn)氣道氣動性能提高幅度最大。考慮到進(jìn)氣道出口畸變嚴(yán)重,對風(fēng)扇級不利,分別將優(yōu)化和流動控制前后進(jìn)氣道與風(fēng)扇級對接作為一個整體進(jìn)行了一體化數(shù)值研究。結(jié)果表明進(jìn)氣道出口是否接風(fēng)扇級,對其數(shù)值研究結(jié)果影響較大,尤其是對進(jìn)氣道出口周向總壓畸變和旋流畸變的影響。進(jìn)氣道出口畸變作用下,風(fēng)扇級氣動性能顯著下降,進(jìn)氣道優(yōu)化后風(fēng)扇穩(wěn)定工作范圍略有增加。進(jìn)氣道內(nèi)施加流動控制后風(fēng)扇性能得到進(jìn)一步提升。其中,吸氣時對應(yīng)改善幅度最小,效率最大值增加約0.57%。吹氣時效率最大值增加約2.26%,該點(diǎn)對應(yīng)增壓比增加約1.20%。吹吸氣組合流動控制之后,改善幅度最為明顯,效率最大值、最大增壓比分別增加約2.70%和3.13%。受動葉旋轉(zhuǎn)影響,進(jìn)氣道出口截面底部低能流體在發(fā)展至風(fēng)扇動葉入口的過程中所占面積逐漸減小,至動葉入口覆蓋底部約三個流道;進(jìn)入風(fēng)扇后,畸變流體始終覆蓋多個流道,相對于其它均勻流道,這些流道內(nèi)氣流總壓和速度較小。優(yōu)化和流動控制后,畸變流體所覆蓋流道數(shù)量減小,且畸變流道內(nèi)的總壓和氣流速度都稍有增強(qiáng);在入口氣流攻角改變和下游逆壓梯度的綜合作用下,靜葉吸力面上出現(xiàn)嚴(yán)重的氣流分離。但分離現(xiàn)象主要發(fā)生在50%葉高以下位置,且優(yōu)化和流動控制之后分離現(xiàn)象有所減弱。最后,基于上述研究,以風(fēng)扇級靜葉內(nèi)高能氣流作為進(jìn)氣道內(nèi)吹氣流動控制氣源,進(jìn)行了帶引氣管路的風(fēng)扇級入口畸變控制研究。結(jié)果表明引氣管路自身結(jié)構(gòu)以及安裝位置、角度、引氣量、所引氣流品質(zhì)等對引氣控制效果影響較大。輪轂位置引氣后,靜葉畸變流道內(nèi)低能流體被部分吸除,吸除的氣流在進(jìn)氣道內(nèi)吹出后進(jìn)氣道內(nèi)流動狀態(tài)略有改善,風(fēng)扇整體性能得到提高。機(jī)匣位置引氣時,風(fēng)扇級的穩(wěn)定工作范圍明顯增加,當(dāng)風(fēng)扇工作點(diǎn)靠近喘振邊界時,引氣控制起到顯著積極作用,而靠近設(shè)計點(diǎn)或者堵塞邊界時引氣反而會導(dǎo)致風(fēng)扇級氣動性能下降。引氣系統(tǒng)采用類似于放氣活門一樣的工作方式工作時,不僅能保證風(fēng)扇級穩(wěn)定工作范圍增加,還能維持其最高效率點(diǎn)附近整體特性。
【關(guān)鍵詞】：跨聲速風(fēng)扇級 S彎進(jìn)氣道 附面層吸入 流動控制 流場畸變 數(shù)值模擬
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V235.13
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-9
• 符號表9-17
• 第1章 緒論17-40
• 1.1 研究背景及意義17-18
• 1.2 S彎進(jìn)氣道研究現(xiàn)狀18-32
• 1.2.1 S彎進(jìn)氣道性能及內(nèi)流特性18-25
• 1.2.2 S彎進(jìn)氣道設(shè)計及優(yōu)化25-28
• 1.2.3 S彎進(jìn)氣道內(nèi)流動控制研究28-32
• 1.3 壓氣機(jī)入口畸變分類及成因32-35
• 1.3.1 入口畸變分類32-33
• 1.3.2 入口畸變成因33-35
• 1.4 入口畸變對風(fēng)扇/壓氣機(jī)性能影響35-38
• 1.5 本文主要研究目的及內(nèi)容38-40
• 第2章 數(shù)值計算方法及其驗證40-52
• 2.1 引言40-41
• 2.2 研究對象41
• 2.3 數(shù)值模擬方法介紹41-47
• 2.3.1 CFX簡介42
• 2.3.2 控制方程42-43
• 2.3.3 湍流模型43-45
• 2.3.4 邊界條件處理45-46
• 2.3.5 前處理與后處理46-47
• 2.4 數(shù)值方法驗證47-51
• 2.4.1 S彎進(jìn)氣道仿真與實(shí)驗結(jié)果對比47-49
• 2.4.2 風(fēng)扇級仿真與實(shí)驗結(jié)果對比49-51
• 2.5 本章小結(jié)51-52
• 第3章S彎進(jìn)氣道設(shè)計及其優(yōu)化52-73
• 3.1 引言52
• 3.2 基本參數(shù)52-53
• 3.3 設(shè)計方法53-55
• 3.3.1 中心線設(shè)計53-54
• 3.3.2 面積分布規(guī)律設(shè)計54-55
• 3.3.3 唇口設(shè)計55
• 3.4 參數(shù)計算55-58
• 3.4.1 進(jìn)口面積確定55-56
• 3.4.2 沿程截面形狀確定56-57
• 3.4.3 幾何型面生成57-58
• 3.5 設(shè)計結(jié)果58-61
• 3.6 進(jìn)氣道優(yōu)化61-65
• 3.6.1 優(yōu)化設(shè)計概述61-63
• 3.6.2 優(yōu)化設(shè)計平臺及實(shí)現(xiàn)過程63-65
• 3.7 優(yōu)化設(shè)計結(jié)果分析65-72
• 3.7.1 幾何結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)變化65-68
• 3.7.2 內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)變化68-72
• 3.8 本章小結(jié)72-73
• 第4章 吹、吸氣及其組合控制對進(jìn)氣道性能改善研究73-97
• 4.1 引言73
• 4.2 流動控制實(shí)現(xiàn)73-76
• 4.2.1 流動控制裝置73-74
• 4.2.2 網(wǎng)格及邊界條件設(shè)置74-75
• 4.2.3 計算方案75-76
• 4.3 吹氣控制對進(jìn)氣道性能影響76-83
• 4.3.1 吹氣控制參數(shù)對總體性能影響76-78
• 4.3.2 吹氣控制參數(shù)對流場結(jié)構(gòu)影響78-83
• 4.4 吸氣控制對進(jìn)氣道性能影響83-90
• 4.4.1 吸氣控制參數(shù)對總體性能影響83-86
• 4.4.2 吸氣控制參數(shù)對流場結(jié)構(gòu)影響86-90
• 4.5 吹、吸氣組合控制對進(jìn)氣道性能影響90-95
• 4.5.1 組合控制裝置及網(wǎng)格90-91
• 4.5.2 進(jìn)氣道性能參數(shù)變化91-92
• 4.5.3 進(jìn)氣道內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)變化92-95
• 4.6 本章小結(jié)95-97
• 第5章 進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其內(nèi)吹吸氣對風(fēng)扇性能影響97-126
• 5.1 引言97
• 5.2 數(shù)值模擬方案97-99
• 5.2.1 模型及邊界條件設(shè)置97-98
• 5.2.2 網(wǎng)格劃分98-99
• 5.2.3 計算方案99
• 5.3 出.邊界條件變化對進(jìn)氣道仿真結(jié)果影響99-101
• 5.4 進(jìn)氣道結(jié)構(gòu)優(yōu)化對其后風(fēng)扇性能及流場影響101-109
• 5.4.1 風(fēng)扇總體性能參數(shù)變化101-102
• 5.4.2 沿程截面畸變分布102-106
• 5.4.3 壓力沿葉高分布變化106-108
• 5.4.4 不同葉高處流場分析108-109
• 5.5 進(jìn)氣道內(nèi)吹吸氣控制對其后風(fēng)扇性能及流場影響109-124
• 5.5.1 不同控制方案下風(fēng)扇總體性能變化109-110
• 5.5.2 進(jìn)氣道內(nèi)吹氣控制對風(fēng)扇流場影響110-115
• 5.5.3 進(jìn)氣道內(nèi)吸氣控制對風(fēng)扇流場影響115-119
• 5.5.4 進(jìn)氣道內(nèi)吹吸氣組合控制對風(fēng)扇流場影響119-124
• 5.6 本章小結(jié)124-126
• 第6章 風(fēng)扇級引氣至進(jìn)氣道內(nèi)吹氣的畸變控制研究126-146
• 6.1 引言126
• 6.2 計算方案設(shè)計126-127
• 6.3 風(fēng)扇級引氣至進(jìn)氣道內(nèi)吹氣控制實(shí)現(xiàn)127-129
• 6.3.1 模型及邊界條件設(shè)置127-128
• 6.3.2 網(wǎng)格劃分128-129
• 6.4 風(fēng)扇級引氣至進(jìn)氣道內(nèi)吹氣對風(fēng)扇性能及流場影響129-144
• 6.4.1 風(fēng)扇總體性能變化129-131
• 6.4.2 輪轂位置引氣對風(fēng)扇內(nèi)流場影響131-135
• 6.4.3 機(jī)匣位置引氣對風(fēng)扇內(nèi)流場影響135-144
• 6.5 本章小結(jié)144-146
• 結(jié)論146-149
• 參考文獻(xiàn)149-162
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果162-164
• 致謝164-165
• 個人簡歷165

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前2條

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本文編號：976207