静叶附面层抽吸对跨声速压气机气动性能影响的数值研究

摘要

现代航空发动机的高效和高负荷设计指标对压气机的效率和负荷水平提出了较高的要求，而叶片的高负荷会导致流道内流体的逆压梯度和二次流动增强，叶片表面容易出现附面层分离，导致压气机的喘振裕度下降，叶栅损失增大，效率下降。采用主动流动控制技术——附面层抽吸技术，可以有效提高叶片载荷，重整压力梯度分布，有效控制附面层的发展。
　　本文通过实验数值标定的CFD数值模拟手段，对各个工况下压气机静叶的流场进行详细数值研究，找到流动分离位置，对跨声速压气机静叶流道进行附面层抽吸，抽吸方案主要有在静叶吸力面开孔、开槽抽吸;端壁开设流向槽、周向槽抽吸以及在吸力面与上端壁同时开槽的组合抽吸。通过分析静叶的极限流线、静压系数、不同截面总压损失系数分布和马赫数分布等参数，寻求静叶流场流动损失的主要原因以及附面层抽吸对流场有效的流动控制方案。
　　首先，对比原型在吸力面附面层开槽/孔抽吸方案，在不同抽吸量下，减薄了吸力面来流附面层的厚度，提升了附面层动能，角区分离尺度缩减。适当增加抽吸量之后，对端壁效应有一定影响，更加有效的缩减吸力面角区分离和回流的范围，降低损失。其次，在端壁附面层抽吸方案中，流向槽抽吸显著的吸除了低能流体，截断了端壁附面层内低能流体向吸力面侧的迁移，低能流体在角区内的积聚减弱，闭式分离涡被吸除，对流道堵塞减轻，延缓了压气机失速的发生。第三，端壁周向槽附面层抽吸推迟了角区分离发生，显著地减弱了来流附面层的横向二次流动以及低能流体向吸力面侧迁移的能力。最后，吸力面-上端壁同时开槽吸气的组合抽吸方案集合了两种单槽抽吸方案的优点，有效的控制了吸力面和端壁附面层之间的掺混作用，显著地减弱了角区分离，静叶气动性能明显改善，展现出了组合抽吸的应用价值。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 压气机中的附面层分离流动

1．2．1 层流及湍流附面层的二维分离

1．2．2 二次流动及二次流损失

1．2．3 压气机叶栅中经典的旋涡结构

1．3 附面层抽吸技术

1．3．1 流动控制技术

1．3．2 附面层抽吸技术机理

1．3．3 附面层抽吸技术国内外研究现状

1．3．4 跨声速压气机附面层抽吸技术研究现状

1．4 论文研究内容及目的

第2章 数值方法介绍

2．1 引言

2．2 计算模型

2．3 数值计算方法

2．3．1 商业CFD软件—ANSYS CFX

2．3．2 控制方程

2．3．3 湍流模型

2．3．4 计算方法

2．3．5 边界条件及数值模拟网格

2．3．6 数值模拟结果后处理

2．3．7 数值模拟方法校核

2．4 本章小结

第3章 静叶吸力面附面层抽吸对压气机气动性能的影响

3．1 引言

3．2 压气机静叶原型流场结构分析

3．2．1 设计工况静叶叶表和端壁流场分析

3．2．2 近失速工况静叶叶表和端壁的流场分析

3．3 吸力面附面层开槽抽吸研究

3．3．1 抽吸方案设计

3．3．2 特性曲线、总压比和效率的变化率

3．3．3 吸力面及上端壁极限流线分析

3．3．4 型面载荷分布

3．3．5 总压等值面云图和总压损失系数云图分析

3．3．6 马赫数云图分析

3．4 吸力面附面层开孔抽吸研究

3．4．1 抽吸方案设计

3．4．2 特性曲线、总压比和效率的变化率

3．4．3 吸力面及上端壁极限流线分析

3．4．4 型面载荷分布

3．4．5 总压等值面云图和总压损失系数云图分析

3．4．6 马赫数云图分析

3．5 本章小结

第4章 静叶端壁附面层抽吸对压气机气动性能的影响

4．1 引言

4．2 流向槽抽吸对端壁附面层的影响

4．2．1 方案设计

4．2．2 特性曲线、总压比和效率的变化率

4．2．3 吸力面及上端壁极限流线分析

4．2．4 型面载荷分布

4．2．5 总压等值面云图分析

4．2．6 总压损失系数及流线分布

4．2．7 马赫数云图分布

4．2．8 静叶熵曲线分析

4．2．9 静叶进、出口气流角分析

4．3 周向槽抽吸对端壁附面层的影响

4．3．1 方案设计

4．3．2 特性曲线、总压比和效率的变化率

4．3．3 吸力面及上端壁极限流线分析

4．3．4 型面载荷分布

4．3．5 总压等值面云图分析

4．3．6 总压损失系数及流线分布

4．3．7 马赫数云图分布

4．3．8 静叶熵曲线分析

4．3．9 静叶进、出口气流角分析

4．4 本章小结

第5章 组合抽吸对压气机气动性能的影响

5．1 引言

5．2 方案设计

5．3 性能分析

5．3．1 总压比和效率的变化率

5．3．2 吸力面及上端壁极限流线分析

5．3．3 型面载荷分布

5．3．4 总压损失系数及流线分布

5．4 本章小结

结论

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