第一章緒論

壓氣機內(nèi)部流動存在強逆壓梯度,常伴隨有流動分離、二次流、轉(zhuǎn)披以及激波等復(fù)雜流動結(jié)構(gòu),包含有多種不可逆損失。對于壓氣機靜葉而言,葉型損失與端區(qū)損失是兩種主要的損失來源。要減小葉型損失就需要采用更為先進的葉型,可控擴散葉型(controlleddiffusionairfoil,CDA)就是其中一種,它具有高負荷、大攻角范圍且葉表附面層不易分離等特點口。相比于常規(guī)葉型,CDA葉型具有更大負荷和更寬的低損失攻角范圍P1,如圖^3所示。CDA葉型已經(jīng)在壓氣機葉片中廣泛使用[4]。相比于其他傳統(tǒng)葉型,CDA葉型擁有較低的葉型損失己經(jīng)得到國內(nèi)外學(xué)者認可,但目前基于CDA葉型的壓氣機葉片端區(qū)流動及損失特性的研究仍然不夠充分,仍需要進一步開展相關(guān)的研究工作。吸力面與輪穀相交處的角區(qū)分離是壓氣機靜葉端區(qū)損失主要來源之一以,如圖1-4,尤其是在非設(shè)計工況下,角區(qū)分離常會造成通道堵塞,損失增加,載荷下降,嚴重限制了壓氣機性能的提升。自從20世紀80年代Dring以等人發(fā)現(xiàn)壓氣機轉(zhuǎn)子角區(qū)分離后,引發(fā)了國內(nèi)外很多學(xué)者對此展開了研究。得出角區(qū)分離產(chǎn)生的主要原因有:(1)強逆壓梯度;(2)通道二次流;(3)端壁和葉片表面邊界層交匯;(4)葉片前緣馬蹄鍋等。

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第二章實驗方案與數(shù)值模擬方法

2.1實驗方案介紹

平面葉柵實驗是研究葉輪機械葉片流道內(nèi)部流動最基本的研究方法,實驗中采用等安裝角等稠度的相同直列葉柵,不存在端壁與葉片間的相對運動、旋轉(zhuǎn)流體中的力、端壁曲率造成的離心力,且測量方便、成本較低,可以提供詳實的內(nèi)部流動信息,常被應(yīng)用于壓氣機葉頂泄漏流、角區(qū)分離等復(fù)雜三維流動特性的研究,對壓氣機、透平葉片的設(shè)計發(fā)展起到非常重要的作用。本文的實驗部分采用中國科學(xué)院工程熱物理研究所低速平面葉柵風(fēng)洞。最初該風(fēng)洞為跨聲速設(shè)計,后增加連續(xù)式氣源方便低速實驗研究,并開展如吸附式壓氣機葉柵實驗、葉片吸力面附面層特性研究[42]、表面粗禮度影響[43]等一系列足氣機相關(guān)實驗研究。

2.2數(shù)值模擬方案介紹

本文研究對象是壓氣機平面葉柵,需要關(guān)注的性能參數(shù)主要是葉柵總壓損失系數(shù)等,流場結(jié)構(gòu)中主要關(guān)注角區(qū)分離結(jié)構(gòu)和葉柵表面邊界層轉(zhuǎn)扳現(xiàn)象。因此在選擇端流模型時也著重對比這些參數(shù)與實驗結(jié)果的差異。前期選取了5種不同的端流模型分別對葉柵-5.6d巧攻角下的損失和流場結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值模擬,包括k-e模型、帶轉(zhuǎn)換模型和不帶轉(zhuǎn)扳模型的SSTk-o)模型、帶轉(zhuǎn)扳模型和不帶轉(zhuǎn)扳模型。網(wǎng)格數(shù)2048543,y+約為1。進口給定實驗所測的速度邊界層,出口為大氣壓。并將數(shù)值計算結(jié)果與實驗進行了對比。如圖2-9所示,給出了葉柵吸力面表面極限流線和柵盾測量截面葉中(mid-span)及全截面(all-span)總壓損失系數(shù)質(zhì)量平均值與實驗的對比結(jié)果。

第三章CDA葉型平面葉柵整體性能數(shù)值模擬與實驗研究....29

3.1總壓損失系數(shù)....29
3.2葉片表面壓力分布....31
3.3柵后氣流參數(shù)展向分布....32
3.4流場結(jié)構(gòu)....33
3.5本章小結(jié)....37
第四章CDA葉型平面葉柵角區(qū)分離若干影響因素的數(shù)值研究....38
4.1攻角的影響....39
4.2端流度的影響....42
4.3馬赫數(shù)/雷諾數(shù)的影響....44
4.4進口邊界層的影響....45
4.5葉柵端部倒角的影響....45
4.6小結(jié)....50
第五章總結(jié)和展望....53
5.1總結(jié)....53
5.2創(chuàng)新之處....55

5.3展望.......55

第四章CDA葉型平面葉柵角區(qū)分離若干影響因素的數(shù)值研究

4.1攻角的影響

在平面葉柵實驗中通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤可以改變?nèi)~柵來流攻角,并且通常情況下會保證實驗段進口來流馬赫數(shù)或速度保持不變,因此攻角改變實際等同于氣流軸向速度的改變,在幾何不變的前提下,也就等同于葉柵通道內(nèi)流量的改變。故攻角從負值逐漸増大至正值的過程可以類比于真實壓氣機中的節(jié)流過程。同理,在實際壓氣機中,靜葉的攻角(或進氣角)取決于上排轉(zhuǎn)子的出氣角,在進口流量不斷減小時,轉(zhuǎn)子會發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速,導(dǎo)致轉(zhuǎn)子出氣角增大,進而使得下一排靜葉的進氣攻角也會增加。本文在第三章中著重分析了王類典型工況下角區(qū)分離的流場結(jié)構(gòu),為了分析角區(qū)分離隨攻角連續(xù)變化的過程,如圖4-1所示給出了攻角-20.6deg+2.4deg之間每隔l.Odeg攻角所有工況下吸力面表面極限流線,從左到右攻角依次增加。

4.2端流度的影響

在平面葉柵實驗中,由于進口不進行特殊處理時,來流端流度一般較低,約1.0%左右。但在實際壓氣機中,由于轉(zhuǎn)子尾跡的存在,靜葉進口的瑞流度較高,平均瑞流度約3.0%,甚至更高。為了探究端流度對壓氣機角區(qū)分離的影響,本文選取了1.5%、2.0%、3.0%、5.0、7.0%和10.0%六組進口端流度值對葉柵-5.6deg攻角工況進行了數(shù)值計算。由于CFX軟件在求解時進口段揣流度值存在衰減,如圖4-4所示給出了進口瑞流度(Tujnlet)和葉片前緣端流度(Tu_LE)的關(guān)系,其中葉片前緣端流度值取距前緣50%Cax截面50%葉高處端流度周向平均值。從圖中可以看出,Tujnlet和TuJLE具有良好的線性關(guān)系,線性擬合公式如圖。
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第五章總結(jié)和展望

5.1總結(jié)

角區(qū)分離是壓氣機中普遍存在的流動結(jié)構(gòu),常發(fā)生在吸為面與端壁相交處,會隨著進口來流攻角增大而増大,嚴重時會發(fā)展成為角區(qū)失速,表現(xiàn)為吸力面和端壁均出現(xiàn)大范圍回流結(jié)構(gòu),造成更大的損失和堵塞。為了有效的控制和減小壓氣機角區(qū)分離,就需要更深入的認識其內(nèi)在的流動機理和影響因素。平面葉柵實驗是研究壓氣機角區(qū)分離最基本的研究方法,具有成本低、測量便捷等優(yōu)勢。另外,CFD數(shù)值模擬技術(shù)也是研究壓氣化角區(qū)分離的最常用的手段之一,目前在葉輪機械領(lǐng)域的數(shù)值計算仍主要采用RANS方法,它可以較好的模巧角區(qū)分離流場結(jié)構(gòu),但精度以及對流場細節(jié)的捕捉仍有待提離。葉片表面邊界層轉(zhuǎn)換現(xiàn)象始終存在,在葉柵實驗環(huán)境下常表現(xiàn)為分離泡轉(zhuǎn)扳形式,一定程度上會對葉柵表面壓力分布以及角區(qū)分離產(chǎn)生影響,但采用傳統(tǒng)的全瑞流RANS模型很難捕捉到它的存在

5.2創(chuàng)新之處

1、研究中采用了較寬的來流攻角范圍,在實驗中采用油流法記錄了不同攻角下CDA葉型平面葉柵吸力面流動圖譜,可以清楚的思示葉柵表面角區(qū)分離以及層流分離泡結(jié)構(gòu)。2、采用數(shù)值計算分析了CDA葉型卒面葉柵端部倒角結(jié)構(gòu)對角區(qū)分離的影響,并發(fā)現(xiàn)適當增大倒角半徑可以減弱壓氣機角區(qū)分離,并解釋了其中的流動機理。

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參考文獻（略）

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本文編號：193932