微脉冲射流器研制及其应用于主动控制气流分离的研究

摘要

航空涡轮发动机高推重比的发展方向对压气机部件性能提出了更高的要求。如何控制高负荷导致的大尺度流动分离已成为叶栅气体动力学研究中的重要课题。本课题组提出了一种基于MEMS技术新理念无源微脉冲射流器，本论文着眼于微脉冲射流器研制及其应用于控制气流分离的基础研究。
　　 首先采用数值模拟的方式研究分析某典型压气机叶栅通道流场及某二元大扩压度通道以得到其气流分离的定常及非定常特征参数，数值模拟结果显示两通道均存在周期性涡产生，发展及脱落过程，并获得了相应流场涡脱落频率，为微脉冲射流器应用提供了依据。
　　 其次设计加工了进口尺寸为48.4mm×4mm，扩张比为4.7，长度为275mm，具有分流板，可在本实验室的微型风洞上使用的二元大扩压度实验通道，建立了可测量该通道定常及非定常参数的实验系统。研究了无流动控制措施时该二元大扩压度通道的分流板作用效果，定常流场时通道不同进口雷诺数ReH,cl时斜坡面压力分布，通道内23H截面速度型，以及通道总压损失系数，非定常流场时测定大扩压度通道两个不同位置的静压变化并进行了FFT分析。实验结果表明分流板作用对削弱通道侧壁附面层影响；证实了随着进口ReH,cl的增大，气流的抗逆压力梯度在不断增强，分离点在不断向流场下游移动；对于本大扩压度通道，进口雷诺数ReH,cl在5333-30000范围内，涡脱落周期St数近似不变；获得一个大尺度涡在向流场下游发展时伴随二个相对小尺度涡同时发展的结论；获得两测点间涡发展推进的平均速度
　　 再次，通过大扩压度通道定常流场及非定常流场实验结果选择了ReH,cl=5333，即Ucl=20m/s流场作为微脉冲射流器控制目标流场设计并加工了基于MEMS技术的，采用电磁驱动方式的微脉冲射流器，并研究了微脉冲射流器的射流速度，射流频率，进出口压比。实验结果显示在不同缝栅驱动频率下存在相应频率的脉冲射流，同时脉动部分所占比例较小，同时获得了射流速度与射流器进出口压比之间的关系。
　　 最后开展了微射流定常控制大扩压度通道的实验研究，通过通道23H截面速度型定性观察了不同流动控制方案的流动控制效果，并建立了总压损失系数与注入射流流量关系曲线以具体衡量不同定常射流控制方案的流动控制效果。对其中控制效果最优的方案采取了不同频率的控制措施，并通过通道23H截面速度型定性分析了不同频率控制效果。进一步的对微脉冲射流器的工作原理及目前方案中存在的问题进行分析，并采用了相应措施改进了微脉冲射流器的定常参数。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录、注释表

声明

第一章绪论

1.1本课题的研究背景和研究意义

1.2国内外相关研究介绍

1.2.1流动控制方法概述

1.2.2压气机叶栅主动流动控制技术的研究

1.2.3微型射流器的研究现状

1.3本文的研究工作总述

1.3.1新型微脉冲射流器的提出与研究思路

1.3.2本文思路及目标

1.3.3本文研究内容

第二章某典型大扩压度叶栅、大扩压度通道定常及非定常流场特征的数值模拟研究

2.1引言

2.2数值模拟条件

2.2.1数值模拟软件简介

2.2.2基本控制方程

2.2.3湍流模型简介

2.3某典型大扩压度叶栅流场的定常及非定常参数数值模拟研究

2.3.1叶栅选取说明

2.3.2计算网格及边界条件

2.3.3叶栅流场定常参数结果分析

2.3.4叶栅流场非定常参数结果分析

2.4某典型大扩压度二元通道流场的定常及非定常参数研究

2.4.1大扩压度通道选取说明

2.4.2计算方案、网格及边界条件

2.4.3二元大扩压度通道流场定常参数结果分析

2.4.4二元大扩压度通道流场非定常参数结果分析

2.5小结

第三章无流动控制措施二元大扩压度通道流场定常及非定常特征的实验研究

3.1概述

3.2气源设备及净化稳压系统简介

3.3微型风洞

3.4数据采集系统

3.4.1压力扫描阀

3.4.2动态压力采集系统

3.5试验段设计

3.5.1方转方收缩段

3.5.2二元大扩压度通道设计

3.6实验测量方法

3.6.1二元大扩压度通道斜坡面静压孔说明

3.6.2涡脱落频率获得

3.6.3丝线流动显示

3.6.4总压损失系数

3.6.5通道内某一截面速度分布

3.7无流动控制措施时大扩压度通道的非定常流场特征

3.7.1涡脱落频率的频谱分析

3.7.2不同进口流速时的涡脱落频率对比

3.7.3不同位置测点测量结果分析

3.8无流动控制措施时的定常流场特征

3.8.1不同进口流速时斜坡面静压分布

3.8.2进口雷诺数ReH,cl=5333通道内23H截面速度型

3.8.3不同进口流速时大扩压度通道总压损失系数

3.9误差分析

3.9.1实验主要误差来源

3.9.2实验系统随机误差分析

3.10小结

第四章微脉冲射流器结构设计加工及参数测量

4.1新理念微脉冲射流器简介

4.2本论文采用的微脉冲射流器实现方案

4.2.1主体结构

4.2.2微脉冲射流器核心部件——微脉冲射流阀

4.2.3射流器主要参数确定

4.3微脉冲射流器加工

4.3.1微细加工方法概述

4.3.2微细电解加工技术

4.3.3微细电火花切割加工

4.3.4本文采用的加工方案

4.4微脉冲射流器的实验研究

4.4.1引言

4.4.2微脉冲射流器平均参数测量

4.4.3微脉冲射流器瞬态速度测量

4.6小结

第五章微射流控制大扩压度通道气流分离的实验研究及改进脉冲射流器

5.1概述

5.2定常射流控制二元大扩压度通道气流分离的实验研究

5.2.1通道内23H截面速度型

5.2.2总压损失系数量化分析控制效果

5.3微脉冲射流控制二元大扩压度通道气流分离的实验研究

5.3.1通道内23H截面速度型

5.4射流器工作原理分析与改进

5.4.1射流器工作原理及目前存在问题分析

5.4.2射流器改进

5.5小结

第六章结论与展望

6.1本文工作的结论

6.2研究展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果

附录