可压缩性对脉冲射流控制流动分离的影响及其分析

摘要

级压比是衡量压气机性能的一个重要指标，而增加级压比将使压气机叶栅流动面临分离。旨在控制流动分离的非定常流动控制技术因其利用流动本质上的不稳定性，相较于定常流动控制技术，在达到相同控制效果的情况下能量输入较小，成为近年来倍受关注的研究热点。本文基于一种无源脉冲射流控制技术，引入了POD本征正交分解分析方法，开展了非定常激励控制压气机叶栅流动分离的数值模拟研究，主要工作有：
　　1、针对叶栅非定常分离流结构复杂以及直接分析困难，引入了本征正交分解(POD)方法用于非定常流场分析，并结合高亚声速流动的可压缩对POD内积方式的进行了修正，解决了可压缩性状态下速度场与密度场的耦合性问题，使得POD内积方式对动能模态的分解兼顾了物理意义。
　　2、POD分解得到的各阶模态中，除一阶模态反映平均流特性之外，其余各阶模态均反映了脉动结构，且二、三阶模态所捕捉的脉动结构能量份额相近，其周期性与主流分离涡特性较为相近。低阶模态占据系统大部分动能，因此可以通过集中分析低阶模态的特性来总体把握流场动力学特性。一定攻角状态下，随着进口马赫数的提高，分离位置后移，叶背分离涡主频增加，流动不稳定性与可压缩性增强，POD分解得到低阶模态结构形态发生变化，脉动结构区域向叶背吸力面压缩，二三阶脉动结构模态时间系数的周期变短。
　　3、在本文研究的不同进口马赫数范围内，且当射流频率与分离涡主频接近时，脉冲射流控制效果最为显著，但随着进口马赫数的增加，脉冲射流控制效果有所减弱。相较于低速流动状态，高亚声速状态下流场内涡系结构更加复杂，此时在有效激励信号作用下，流场内涡系结构的改善幅度相对较差。
　　4、在一定频率范围的脉冲射流作用下，流场内脉动能量转化为平均流能量，且其转化幅度受进口马赫数及射流频率的影响。通过接近于分离涡主频的微小脉冲射流的注入，流场内低阶模态脉动结构形态产生了明显的改变，实现了脉冲射流与流场中大尺度脉动结构的相干与整流，脉动能量向平均流能量的转化幅度最为显著，流场内分离涡的周期性更为显著。
　　5、研究了叶栅脉冲射流器与分离区压力非定常波动的耦合作用，其中高亚声速状态下，扩压叶栅叶盆叶背较大的静压差可产生明显的脉冲射流，且射流波形主要受流道的周期性开关影响；此时在有效频率的脉冲射流作用下，叶栅相对总压损失系数降低了16.94％，叶片表面压力系数有了明显提升，无源脉冲射流控制技术是一种有效的叶栅流动控制方法。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

注释表

缩略词

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 压气机叶栅主动流动控制技术国内外研究现状

1.3 本征正交分解（POD）技术介绍

1.4 本文的研究内容

第二章 物理模型与数值方法

2.1 物理模型

2.2 数值模拟工具及数值方法

2.3计算网格与数值模型介绍

2.4本章小结

第三章 POD方法基本理论介绍与可压缩性修正

3.1 POD方法基本理论介绍

3.2 基于POD内积对象的可压缩性修正

3.3 可压缩性影响的分析

3.4本章小结

第四章 无控流场的非定常计算及其分析

4.1压气机叶栅流动分析

4.2 无控流场的POD分析

4.3 流场可压缩性的POD分析

4.4 本章小结

第五章 可压缩性对脉冲射流控制分离的影响及其分析

5.1 物理模型与数值方案

5.2 脉冲射流的数值模拟研究及其分析

5.3 非定常激励抑制流动分离的POD分析

5.4 本章小结

第六章 脉冲射流器与分离区压力非定常波动耦合的数值模拟研究

6.1带微脉冲射流器叶栅的物理模型与数值方案

6.2耦合状态下脉冲射流器控制流动分离的数值模拟研究

6.3本章小结

第七章 结论与展望

7.1 本文的主要工作与结论

7.2 本文研究的创新之处

7.3 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文