分離流動是一類復雜的流體流動現(xiàn)象,普遍存在于航空、航天、流體機械等各類實際工程問題中,其本質(zhì)源于粘性流動和非粘性流動的相互作用。閉式流動分離和再附伴隨著較大的能量損失,對流體機械的性能影響很大,分離結(jié)構(gòu)的控制已經(jīng)成為流體機械工程中的一個研究重點。本文圍繞軸流機械中流動分離及其相關(guān)問題,從定常的角度討論軸流機械中角區(qū)分離的產(chǎn)生機理與控制手段,同時從非定常的角度通過一些新的視角研究并尋求流動分離控制、降低損失的途徑,以挖掘低速軸流壓氣機/大型軸流風機中的性能潛力。 通過三維雷諾時均N-S(RANS)方程對軸流葉柵進行定常計算,計算結(jié)果與實驗結(jié)果的比較,揭示了無葉頂間隙單流道葉柵中節(jié)點數(shù)和鞍點數(shù)相等的關(guān)系式;通過分析端壁邊界層中低能流體類似于分層的運動,深入說明了周向壓力梯度和流向逆壓梯度作用下,端壁邊界層朝吸力面的偏轉(zhuǎn)及其逆流向翻轉(zhuǎn)是角區(qū)三維分離形成的基本原因。研究比較了進口有無邊界層條件下的極限流線、出口總壓損失分布、吸力面尾緣位移厚度以及不同來流沖角時的分離尺度和相應的流譜結(jié)構(gòu),結(jié)果揭示了端壁邊界層朝角區(qū)的堆積是三維分離的決定性因素。 通過后置導葉單級軸流壓氣機在不同速度剖面來流條件下的流場計算,研究了進口速度分布對壓氣機性能的影響,揭示了速度分布、邊界層厚度等沿流向的變化規(guī)律,通過與實驗數(shù)據(jù)的對比,考察并確認了所用計算方法用于邊界層相關(guān)問題計算的精度。文中在軸流葉柵弦向開縫改善吸力面分離的問題所作的研究,例如對回氣點、吸氣點以及開縫的位置、高度等參數(shù)進行的比較分析,為控制吸力面邊界層堆積、降低分離損失提供了的較好控制手段。針對端壁低能流體向吸力面的堆積路徑,進行了吸力面、端壁定流量抽吸的分析計算,結(jié)果表明,適當位置上很小的抽吸量就可能消除掉大部分明顯的三維分離,其積極作用包括總壓損失和端壁阻塞的顯著降低、葉片載荷和出口靜壓的增加以及更加均勻的出口流動。 對帶有前后導葉和復雜形狀進氣箱的大型燃煤電站用軸流引風機進行的全三維數(shù)值計算與分析表明,進氣箱中復雜的幾何形狀和軸套結(jié)構(gòu)增大了流動的不穩(wěn)定性和損失,并引起了下游流動的周向不均勻性。文中對比了不同的預旋方案對做功能力以及損失的影響。提出并嘗試了串列葉片及其后葉片周向調(diào)節(jié)替代動葉可調(diào)開度調(diào)節(jié)的方案,結(jié)果表明,在遠離設(shè)計流量工況下,雖然壓升有所下降,但增強了運行穩(wěn)定性和提高了效率,為進一步地研究提供了有價值的初步效果。 采用大渦模擬方法對前緣分離擬序結(jié)構(gòu)的問題進行了研究,提出并探索通過合理的來流周期性作用來控制分離區(qū)域的大小。文中通過分析傾斜平板前緣自由剪切層的演變過程,研究并比較了三種可視化形式在帶壁面自由剪切層中的不同表現(xiàn),發(fā)現(xiàn)Q準則更適合顯示來流擾動作用下的擬序結(jié)構(gòu)及其隨時間的演變過程。論文從時均性能、擬序結(jié)構(gòu)以及非定常頻譜等方面描述了不同頻率、不同振蕩幅度以及不同進口速度剖面的周期性來流條件對前緣分離結(jié)構(gòu)的控制效果。 為挖掘軸流壓氣機中的非定常潛力,文中研究了上游葉排的非定常尾跡對下游葉排中分離結(jié)構(gòu)的影響機制。二維計算發(fā)現(xiàn),合理的激勵參數(shù)加大了葉柵內(nèi)部氣流轉(zhuǎn)折程度,柵后氣流流向更趨合理。合理的非定常激勵可以促進流動中雜渦之間的歸并,從而有效地控制分離流由無序變?yōu)橛行?且文中從流場進化、降噪的角度作了分析與設(shè)想。在三維計算中對比了尾跡生成器朝兩個不同方向運動的作用效果。不同頻率的研究表明,對應于f_(shed)和f_(shear)的外部頻率強化了分離剪切層中的K-H展向渦結(jié)構(gòu),并且流向渦與流向的夾角更加明顯,其它頻率作用下該結(jié)構(gòu)并不明顯。最后,研究了進口隨機小尺度脈動條件下的分離擬序結(jié)構(gòu)以及時均性能的改善。
【學位單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2008
【中圖分類】：TH45
【部分圖文】：

展中鞍欺結(jié)點分離線………………………… {{{……渺渺啼啼緣線圖2一3吸力面極限流線:實驗值沙’l和計算值(下圖)圖2一3中顯示了CFD計算結(jié)果與表面絨毛可視化實驗結(jié)果的對比，分離線(極限流

華中科技大學博士學位論文圖2一2計算域與網(wǎng)格圖2.4葉柵角區(qū)分離的形成與特征2.4.1計算和實驗結(jié)果的對比尾緣線展中鞍欺結(jié)點分離線………………………… {{{……渺渺啼啼緣線圖2一3吸力面極限流線:實驗值沙’l和計算值(下圖)圖2一3中顯示了CFD計算結(jié)果與表面絨毛可視化實驗結(jié)果的對比，分離線(極限流

一一+一 0.30sPannn對CX圖2一4不同展向處型面壓力系數(shù)分布圖2一4給出了不同展向位置處吸力面和壓力面上的靜壓系數(shù)分布。壓力面分布基本一致，表明其流動結(jié)構(gòu)比較順暢，邊界層自由發(fā)展，無端壁低能流體沿展向的堆積產(chǎn)生。吸力面上的分布差別明顯，在7.5%翼展高度位置，吸力面后半段的靜壓系數(shù)出現(xiàn)明顯的水平分布，這是流動分離的標識，這和圖2一3所示的拓撲結(jié)構(gòu)所反映的情形是一致的。更高的展向位置，吸力面系數(shù)分布逐漸變得單調(diào)遞增并無回流結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。2.4.2表面奇點和拓撲規(guī)貝lJ的應用圖2一5為吸力面和端壁上的極限流線，可以看到，端壁邊界層被前緣線切割成前緣馬蹄渦兩支，其出現(xiàn)伴隨著前緣線分離結(jié)構(gòu)的鞍點和結(jié)點(Sl

【參考文獻】

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本文編號：2820740