叶表凹坑影响压气机动叶损失特性的数值研究

摘要

随着现代航空发动机发展，对压气机效率与负荷提出了更高的要求。但负荷的提高带来了更大尺度的分离与损失，反过来制约着压气机性能。压气机动叶根部常常处于复杂的流动状况内，且根部区域处于分离起点位置，低能流体堆积严重，损失较大。采用被动流动控制技术-叶表凹坑，可以有效改善根部附近叶型损失，抑制附面层发展。
　　本文以DMU37动叶根部叶型为研究对象，利用实验校核CFD方法研究了不同来流冲角与马赫数下原始叶栅的流动特性，并分析了损失产生机理。
　　首先，对数值方法进行实验校核，验证了数值方法的可靠性。参考已有文献布置凹坑，分析了凹坑减少损失的机理，发现凹坑内旋涡诱导外部流体进入凹坑内增加了外部流体湍动能，附壁流动能力增强，且气-气接触产生“滚动轴承”作用减小了摩擦损失。凹坑增加了叶栅出口端壁附近损失，但出口部分叶高的尾迹损失明显降低，且出口截面总损失降低。
　　其后根据相关凹坑位置变工况计算确定计算工况，对凹坑相关参数进行改变，包括凹坑位置、凹坑深度、凹坑深径比等等。分析凹坑几何参数改变对叶栅损失特性的影响，发现当凹坑几何参数改变时，凹坑内旋涡涡核位置发生改变，改变了凹坑下游流动状况。通过分析出口截面损失特性，确定了凹坑最佳位置为75％～100％弦长处，凹坑最佳深度为0.2mm，凹坑深径比为1/4。
　　最后对原始叶栅与凹坑叶栅进行了变工况分析，变工况包括来流冲角与来流马赫数。通过分析变工况下叶表极限流线与出口截面损失特性，发现凹坑仅在部分冲角下降低了叶栅出口截面总损失，所有计算马赫数下截面总损失均降低。总结变工况下凹坑叶栅损失特性，证明了凹坑减阻技术的应用价值。

目录

第一个书签之前

声明

摘要

1．1 研究背景与意义

1．2 跨声速压气机转子内部流动结构

1．2．1 压气机中涡系结构

1．2．2 压气机动叶根部流动状况

1．3 叶轮机械流动控制技术研究综述

1．3．1 主动控制方法

1．3．2 被动控制方法

1．4 非光滑表面减阻技术简介

1．4．1 沟槽减阻技术

1．4．2 凹坑减阻技术

1．5 主要研究内容与目标

第二章 数值方法

2．1 引言

2．2 数值方法简介

2．2．1 ANSYS控制方程简介

2．2．2 湍流模型简介

2．3 研究对象介绍

2．3．1 叶型参数与建模

2．3．2 凹坑参数与建模

2．4 网格方法及模型验证

2．4．1 网格划分方法与边界条件设定

2．4．2 数值方法可行性验证

2．5 本章小结

第三章 叶表凹坑几何参数对叶栅损失特性的影响

3．1 引言

3．2 叶表凹坑对叶栅损失特性影响机理

3．2．1 模型介绍

3．2．2 凹坑内部流动结构

3．2．3 凹坑内部湍动能分析

3．3 凹坑位置对叶栅损失特性的影响

3．3．1 方案介绍

3．3．2 凹坑位置变工况下损失特性

3．3．3 出口截面损失特性

3．3．4 损失沿轴向发展规律

3．4 凹坑深度对叶栅损失特性的影响

3．4．1 方案介绍

3．4．2 壁面极限流线与凹坑内流动结构

3．4．3 出口截面损失特性

3．4．4 型面载荷

3．5 凹坑深径比对叶栅损失特性的影响

3．5．1 方案介绍

3．5．2 壁面极限流线与凹坑内流动结构

3．5．3 出口截面损失特性

3．5．4 型面载荷

3．6 本章小结

第四章 变工况下叶表凹坑对叶栅损失特性影响

4．1 引言

4．2 变冲角下凹坑对叶栅损失特性的影响

4．2．1 壁面极限流线

4．2．2 出口截面损失特性

4．2．3 损失沿轴向发展规律

4．2．4 型面载荷

4．3 变马赫数下凹坑对叶栅损失特性的影响

4．3．1 壁面极限流线

4．3．2 出口截面损失特性

4．3．3 型面载荷

4．4 本章小结

5．1 工作总结

5．2 展望及建议

参考文献

攻读学位期间公开发表论文

致谢

作者简介