發(fā)布時(shí)間：2020-11-11 22:25

　　 角區(qū)分離是高負(fù)荷壓氣機(jī)中常見的端區(qū)復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象之一,不僅造成流動(dòng)損失急劇增加,還影響壓氣機(jī)的工作穩(wěn)定性。在深入理解壓氣機(jī)角區(qū)分離物理機(jī)制的基礎(chǔ)上,提出先進(jìn)的流動(dòng)控制技術(shù),對于高負(fù)荷壓氣機(jī)的發(fā)展具有重要意義。合成射流是一種基于旋渦運(yùn)動(dòng)的主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù),具有無需氣源管道和結(jié)構(gòu)緊湊等獨(dú)特優(yōu)勢,僅對外界輸出功量而輸出質(zhì)量為零的顯著特征使其在壓氣機(jī)內(nèi)流領(lǐng)域極具應(yīng)用潛力。本文分別以低速和高速壓氣機(jī)葉柵作為研究對象,系統(tǒng)地?cái)?shù)值研究了吸力面、端壁縫式和孔式合成射流對葉柵氣動(dòng)性能的影響,揭示了合成射流控制角區(qū)分離的作用機(jī)制及其變工況適應(yīng)特性,并對比分析了射流參數(shù)對流動(dòng)控制效果的影響規(guī)律。此外,基于渦動(dòng)力學(xué)和拓?fù)浞治隼碚?分析了壓氣機(jī)葉柵流場的拓?fù)渑c旋渦結(jié)構(gòu),并探討了旋渦結(jié)構(gòu)與損失之間的關(guān)聯(lián)。首先,系統(tǒng)地研究了吸力面合成射流控制低速和高速葉柵角區(qū)分離。研究結(jié)果表明,吸力面合成射流能夠顯著提升葉柵時(shí)均氣動(dòng)性能,且具有良好的變工況適應(yīng)特性,還可以有效改善葉柵時(shí)均流動(dòng)特性。其中,吸力面合成射流控制低速葉柵的作用效果優(yōu)于高速葉柵。流向動(dòng)量注入是吸力面合成射流的主要作用機(jī)制,流動(dòng)摻混也起到重要作用。激勵(lì)頻率決定葉柵流場對合成射流的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性,并影響由其誘導(dǎo)的流動(dòng)摻混,這是其影響流動(dòng)控制效果的主要原因。射流動(dòng)量和射流角度對低速以及高速葉柵氣動(dòng)性能的影響規(guī)律一致,隨著射流動(dòng)量的增加和射流角度的減小,流動(dòng)控制效果逐漸提升。然而,射流位置對低速和高速葉柵的影響規(guī)律不同,對低速葉柵時(shí)均氣動(dòng)性能的影響較弱,而高速葉柵的時(shí)均氣動(dòng)性能隨著射流位置向下游移動(dòng)而不斷提升。此外,局部葉高合成射流的作用效果與全葉高方案大致相當(dāng),但前者的控制效率更高。其次,還系統(tǒng)地研究了端壁合成射流控制低速和高速葉柵角區(qū)分離。研究結(jié)果表明,端壁合成射流也能夠明顯提升葉柵時(shí)均氣動(dòng)性能,變工況條件下的作用效果也較為突出,其中端壁縫式合成射流改善低速葉柵的作用效果優(yōu)于高速葉柵。然而,其對葉柵時(shí)均流動(dòng)特性的影響較弱,僅能夠小幅推遲射流出口附近的流動(dòng)分離。流向動(dòng)量注入和流動(dòng)摻混是端壁合成射流作用機(jī)制中的關(guān)鍵因素,前者在縫式合成射流中占據(jù)主導(dǎo)地位,上述兩個(gè)因素在孔式合成射流中都具有重要的作用。射流動(dòng)量、射流角度和射流位置對端壁縫式合成射流控制低速及高速葉柵作用效果的影響規(guī)律一致,隨著射流動(dòng)量的增加和射流角度的減小,流動(dòng)控制效果不斷增強(qiáng)。射流動(dòng)量滿足“閾值”要求是其取得有效控制效果的前提,且低速葉柵的“閾值”高于高速葉柵;位于吸力面分離線根部起始位置附近的合成射流能夠激發(fā)附面層中的T-S不穩(wěn)定性,從而有效增強(qiáng)流動(dòng)摻混。射流動(dòng)量對孔式合成射流的影響規(guī)律不同于縫式結(jié)構(gòu),前者存在射流動(dòng)量最佳值,與流向射流旋渦誘導(dǎo)的摻混損失區(qū)有關(guān),這也是其作用機(jī)制不同于縫式結(jié)構(gòu)的主要原因。最后,對壓氣機(jī)葉柵流場的拓?fù)渑c旋渦結(jié)構(gòu)展開分析。與端壁合成射流相比,吸力面合成射流對葉柵拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響更為突出,其中射流動(dòng)量、角度和位置對其控制下低速葉柵拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響較為明顯,而激勵(lì)頻率和射流位置對其控制下高速葉柵拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響更為顯著。合成射流通過控制附面層遷移來改善葉柵流動(dòng)特性,并影響壁面拓?fù)湫螒B(tài)和通道渦、集中脫落渦等渦系結(jié)構(gòu)的發(fā)展。當(dāng)選取適當(dāng)?shù)纳淞鲄?shù)時(shí),拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和奇點(diǎn)的數(shù)目大幅降低,此時(shí)的流動(dòng)控制效果最為突出。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V232
【部分圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文對象，提出了角區(qū)三維失速的空間拓?fù)淠Ｐ�。如圖 1-1 所示結(jié)構(gòu)將輪轂附近的低動(dòng)量流體向吸力面輸運(yùn)，這是輪轂角區(qū)要原因。在關(guān)于壓氣機(jī)輪轂角區(qū)失速流動(dòng)特征的研究中，L角區(qū)失速的形成伴隨著壁面分離渦的出現(xiàn)，且隨著葉片氣動(dòng)離渦的影響范圍不斷擴(kuò)大，并最終改變了端壁流動(dòng)的拓?fù)浣Y(jié)的形成是角區(qū)失速現(xiàn)象的主要特征。Weber 等[23]研究了跨聲波/附面層相互干涉誘導(dǎo)的角區(qū)失速現(xiàn)象。與其他研究得到上沒有出現(xiàn)由壓力面流向相鄰葉柵吸力面的橫流及其誘導(dǎo)的現(xiàn)象，相應(yīng)地也就沒有形成通道渦結(jié)構(gòu)，但尾緣附近的氣流壁后部還同時(shí)出現(xiàn)了分離線與分離螺旋結(jié)點(diǎn)。

第 1 章 緒 論現(xiàn)，增厚的附面層將主流流體卷入附面層內(nèi)部，阻礙了分離區(qū)的擴(kuò)大，但附面層厚度的增加導(dǎo)致葉柵的氣動(dòng)負(fù)荷降低、落后角增大；針對葉尖泄漏流動(dòng)的研究發(fā)現(xiàn)，在一定的間隙尺寸下，泄漏流動(dòng)能夠抑制前緣馬蹄渦，并削弱泄漏流動(dòng)與端壁附面層之間的相互作用，從而控制吸力面流動(dòng)分離的發(fā)展。此外，還研究了表面粗糙度對壓氣機(jī)級氣動(dòng)性能的影響，靜葉前緣和吸力面峰值區(qū)附近的粗糙度的增加降低了設(shè)計(jì)點(diǎn)附近的氣動(dòng)性能，由其造成的損失約占總損失的5%。粗糙度的增加還改變了葉片氣動(dòng)負(fù)荷分布及來流沖角的有效范圍，并造成角區(qū)分離提前、輪轂附近的堵塞程度加劇。a) b)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文動(dòng)性能的影響，并分析了渦流發(fā)生器的幾何外形和位置對控制效果的影響。研究結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)工況下，總壓損失的最大降幅高達(dá) 9%，氣流折轉(zhuǎn)能力和失速裕度也都得到了提高。在此基礎(chǔ)上，Hergt 進(jìn)一步將渦流發(fā)生器應(yīng)用于跨聲速軸流壓氣機(jī)靜葉，使得部分工況點(diǎn)的等熵效率提高了 1%，表明渦流發(fā)生器具有在真實(shí)壓氣機(jī)環(huán)境中應(yīng)用的潛力。此外，鄭覃等[41]、吳培根等[42]、吳艷輝等[43]和李金鴿等[44]的研究也都證實(shí)了渦流發(fā)生器改善壓氣機(jī)氣動(dòng)性能的潛力，為該技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了有益的探索。a) b)
【參考文獻(xiàn)】

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1 李龍婷;宋彥萍;劉華坪;陳浮;;射流式旋渦發(fā)生器對彎曲擴(kuò)壓葉柵流場的影響[J];航空動(dòng)力學(xué)報(bào);2015年11期

2 劉永泉;劉太秋;季路成;;航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇/壓氣機(jī)技術(shù)發(fā)展的若干問題與思考[J];航空學(xué)報(bào);2015年08期

3 劉華坪;陳煥龍;李德雄;郭玉杰;程肖岐;陳浮;;射流旋渦發(fā)生器控制大折轉(zhuǎn)角擴(kuò)壓葉柵二次流[J];航空動(dòng)力學(xué)報(bào);2015年04期

4 史磊;劉波;巫驍雄;那振喆;張鵬;;對轉(zhuǎn)壓氣機(jī)輪緣端壁抽吸流場特性數(shù)值分析及實(shí)驗(yàn)研究[J];航空學(xué)報(bào);2015年09期

5 馮巖巖;宋彥萍;劉華坪;陳浮;;不同攻角下端壁射流旋渦控制擴(kuò)壓葉柵分離流動(dòng)研究[J];推進(jìn)技術(shù);2015年01期

6 茅曉晨;劉波;曹志遠(yuǎn);張鵬;;端壁射流對壓氣機(jī)葉柵角區(qū)分離控制的研究[J];推進(jìn)技術(shù);2014年12期

7 張海燈;吳云;李應(yīng)紅;趙勤;;高速壓氣機(jī)葉柵旋渦結(jié)構(gòu)及其流動(dòng)損失研究[J];航空學(xué)報(bào);2014年09期

8 蔡樂;周遜;盧少鵬;崔濤;王松濤;;合成射流控制高負(fù)荷擴(kuò)壓葉柵分離數(shù)值研究[J];工程熱物理學(xué)報(bào);2013年04期

9 謝永慧;屈煥成;何海宇;;流動(dòng)參數(shù)對合成射流控制葉柵流動(dòng)分離的影響[J];航空動(dòng)力學(xué)報(bào);2013年03期

10 劉艷明;關(guān)朝斌;孫拓;王保國;;合成射流激勵(lì)對壓氣機(jī)葉柵氣動(dòng)性能的影響[J];工程熱物理學(xué)報(bào);2011年05期

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1 蔡樂;超高負(fù)荷擴(kuò)壓葉柵分離結(jié)構(gòu)及其定常與非定�？刂蒲芯縖D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

2 陳萍萍;軸流壓氣機(jī)角區(qū)分離流動(dòng)損失機(jī)理及流動(dòng)控制策略研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2015年

3 曹志遠(yuǎn);附面層抽吸對軸流壓氣機(jī)流動(dòng)控制及性能影響的研究[D];西北工業(yè)大學(xué);2014年

4 朱劍鋒;脈沖射流抑制大擴(kuò)壓度壓氣機(jī)流動(dòng)分離的機(jī)理及方法研究[D];南京航空航天大學(xué);2013年

5 王登攀;超聲速壁面渦流發(fā)生器流場精細(xì)結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)特性研究[D];國防科學(xué)技術(shù)大學(xué);2012年

6 羌曉青;低反動(dòng)度附面層抽吸式壓氣機(jī)流動(dòng)控制及設(shè)計(jì)方法研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2009年

7 陳煥龍;采用縫隙射流技術(shù)的彎曲擴(kuò)壓葉柵氣動(dòng)性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2009年

8 張華良;采用葉片彎/掠及附面層抽吸控制擴(kuò)壓葉柵內(nèi)渦結(jié)構(gòu)的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2007年

9 鐘兢軍;彎曲葉片控制擴(kuò)壓葉柵二次流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);1996年

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本文編號：2879829