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脉冲射流抑制大扩压度压气机流动分离的机理及方法研究

朱剑锋  
【摘要】:推重比是现代高性能航空发动机的重要指标,为实现高推重这一目标,作为发动机核心部件的压气机必须提高其级压比。在不显著提高转动线速度的情况下,增大级压比的需求使得叶轮设计中引入流场控制技术来削弱压气机在高负荷下的气流分离成为当前技术发展的重点。本文基于压气机内流动特征,提出了一种新型无源引气微脉冲射流控制的概念,并针对脉冲射流抑制大扩压度压气机流动分离的机理及方法展开了研究,主要有以下几方面工作:1、基于非定常分离流动特性及脉冲射流控制特点,建立了相应的非线性动力学模型,引入了最大Lyapunov指数进行总体控制效果分析,完成了非线性模型的有效性验证,分析得到了直接依靠流场实验及数值模拟难以得到的非定常激励对分离流内在的作用机制,为深入研究非定常分离流控制技术提供了理论基础。结果表明当激励频率为系统主频的半倍频、一倍频、二倍频及三倍频状态下,最大Lyapunov指数出现明显的下降,系统由混沌状态向不稳定的周期轨道或稳定的周期轨道进行了转变,最佳激励频率与系统主频相当;在有效非定常控制状态下,流场内绝大部分流体质点运动趋向于平直流动模式,非定常流场与外部激励信号表现了较为明显的自同步现象;随着激励强度的增加,流场内被有效控制的流体质点比例逐渐增加,宏观状态下表现为流场更为有序。2、结合引气微脉冲射流控制技术,考虑实际工程应用,构建了三种压电陶瓷驱动式脉冲射流器;选择了一种结构形式设计加工了原理型脉冲射流器,分析了高频状态下存在瞬时出口总压低于进口总压现象的物理机制,探索了不同转速及压力状态下射流器出口速度波形特点,提出了脉冲射流控制的强度锁定效应,总结了高频微脉冲射流器流动特征规律。3、基于自建的仿叶栅通道试验台,试验测得了通道内平均压力及压力波动特性的分布,其中设计状态下通道内分离涡主频约为266Hz,对应的斯特劳哈尔数0.18。此外针对非定常分离流动结构复杂、信息量巨大而导致直接分析难以把握其流动规律的困难,引入了本征正交分解(POD)方法用于非定常流场分析,完成了非定常流场的时空解耦。其中POD分解对应的一阶模态反映了平均流特性,二阶及其余各阶模态均反映不同时空尺度的流动涡系结构,实际流动可视为各阶模态以一定权重在时空域中的组合,基于POD解耦的流场时空结构将有助于把握复杂的非定常分离流动特征。4、采用试验及数值模拟相结合的方式,对比分析了典型控制状态下射流频率对通道内分离涡的影响规律,运用POD方法以模态的方式分析了脉冲射流对通道内分离涡的作用机制。研究表明当射流频率接近通道内分离涡主频时控制效果最为明显。非定常控制方式基于流场内涡系结构的非线性作用,重分配各阶模态之间的能量,有选择性的强化或削弱某阶模态;定常射流控制则是整体削弱高阶模态,压制通道内复杂流动现象,整体线性地改变通道内流场特性。合理的构建脉冲射流可使能量从高阶模态向平均流模态进行转移,能量的转移通过空间流场结构的重构和模态时间演化特性的序化实现。5、开展了不同位置、角度及强度状态下脉冲射流控制效果的分析,其中分离点位置对应着最佳射流位置,随着射流位置逐渐远离分离点,射流控制效果逐渐减弱,最佳射流位置的各阶模态能量均向平均流模态进行转移,脉冲射流控制效果最为明显;在本文研究的角度范围内,最佳射流角度为15°,此时脉冲射流对叶片表面低速区的穿透效应及对前端低速区的推动作用处于最佳耦合状态;在合适的脉冲射流强度下,一定频率范围内的脉冲射流均能使得通道内流场结构离开无控状态周期轨道,进而稳定在由脉冲射流决定的新的周期轨道上,流场与脉冲射流相互耦合达到时空同步。6、基于平面叶栅实验平台开展了无源引气微脉冲射流控制技术的效果验证及POD分析,结果表明:在分离涡主频85%-120%频率范围内,控制效果最为明显;相比于开缝吹气等定常射流控制方式,无源脉冲射流控制方式引气流量小,大幅降低了引气对压力面流动特征及叶栅总体性能的影响,无源微脉冲射流技术是一种有希望的叶栅流动控制方法。


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