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轴流压气机角区分离流动损失机理及流动控制策略研究

陈萍萍  
【摘要】:作为压气机内部一种特有的流动失稳现象,三维角区分离是未来高性能航空发动机高负荷压气机设计中最重要的影响因素之一,从而制约着压气机性能的进一步提高。为了提高对三维角区分离现象流动机理及相关流动损失控制技术的认识水平,本文围绕航空轴流压气机中三维角区分离现象,开展了压气机三维角区分离现象的物理机理、三维角区分离形成过程中所存在的边界层流动转捩现象流动物理机制和三维角区分离流动控制技术等三个方面的研究工作。论文的主要研究工作和贡献如下:(1)高性能压气机叶片三维角区分离现象的物理机理研究。本文对压气机三维角区分离现象的形成发展机制进行了详细的数值模拟研究,对压气机叶栅通道端壁二次流结构进行了更为完善的拓扑分析,揭示了压气机三维角区分离的形成机制:压气机叶片前缘涡系结构来源于来流边界层的分层现象;集中脱落涡来源于前缘角涡吸力面分支;前缘马蹄涡吸力面分支和相邻叶片的压力面分支在叶片通道中汇合,并卷吸来流端壁边界层从而形成通道马蹄涡;通道马蹄涡在通道涡的横向压力梯度的作用下,向叶片吸力面尾缘/端壁所在角区堆积、并卷吸角区回流,就形成了压气机叶栅三维角区分离。其中,角区回流与通道马蹄涡作用所形成的三维角区分离起始涡,是影响三维角区分离现象发生、发展的主要驱动因素。(2)论文分析了影响三维角区分离形成发展的各种因素,发现前缘马蹄涡向通道马蹄涡衍化的过程是形成三维角区分离的直观因素,而叶片通道中的逆压梯度和横向压力梯度则是产生三维角区分离现象的根本原因;基于此,论文发展完善了判别三维角区分离/失速大小的新判据,并分析了来流攻角和进口边界层厚度对三维角区分离新判据的影响规律。(3)论文首次深入地探索研究了压气机三维角区分离过程中边界层存在的三种流动转捩现象:叶片吸力面层流-湍流分离转捩、旁路转捩和逆转捩,揭示了三种边界层转捩机制对压气机三维角区分离发生、发展的影响机理:逆转捩的发生决定着三维角区分离起始的位置;虽然分离转捩和旁路转捩会影响到三维角区的发展和径向范围,但是,就其本质而言,这两种转捩的存在与否,并不影响三维角区分离/失速的发生。通过对转捩模型、来流湍流度水平和湍流长度尺度的研究,论文总结分析了各参数对于边界层转捩数值预测的影响和对三维角区分离的影响规律,归纳出了可以指导高性能压气机叶片流动控制的相关结论。(4)论文对高性能压气机叶片三维角区分离现象的流动控制方案进行了系统的数值模拟研究,分别研究了端壁单槽吸气法的轴向、周向开槽位置、吸气流量率、吸气槽大小,端壁分段吸气法吸气槽位置设计和吸气流量率,叶片吸力面吸气法轴向开槽位置、吸气槽长宽比和吸气流量率,以及端壁角区开槽射流法射流角和射流流量率对三维角区分离的控制规律,给出了可以指导工程应用的、更加完善的流动控制方案参数化设计准则。基于此,论文对四种流动控制方案控制效果和控制机理进行了对比,得到了适于本文压气机三维角区分离及其损失抑制的最佳流动控制方案:端壁单槽MTE吸气和吸力面SS3吸气。在此基础上,论文对最优流动控制方案——端壁单槽吸气MTE进行了详细的实验研究,论证了针对流动控制技术的数值模拟方法的可靠性;对正负攻角下压气机叶栅性能参数随MTE吸气的变化规律进行实验研究,分析了真实实验条件下MTE吸气槽对压气机叶栅角区流动的改善和对压气机叶栅气动性能的提升。


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