低速轴流涡轮分离流动的数值模拟与流动控制

摘要

涡轮是航空发动机和地面燃气轮机的重要组成部件。在低雷诺数的情况下，涡轮内部的边界层流动主要为层流流动。在逆压梯度的作用下，层流边界层容易发生流动分离，并且可能存在转捩。因此涡轮内部的流动非常复杂。分离流动会大大降低涡轮的效率和稳定性，因此研究涡轮内部的分离流动及其控制方法具有重要意义。当前对低速涡轮内部流动及流动控制的研究均针对直列叶栅。对实际涡轮中分离流动控制方法的研究很少。针对这一问题，在本文中，做了如下研究:
　　(1)低速涡轮在低雷诺数下的内部流动机理研究。分别采用层流模型、SST湍流模型、转捩SST模型和基于WALE模型的大涡模拟对某低速轴流涡轮在低进口雷诺数下的内部流动进行了数值模拟。与实验结果的对比发现大涡模拟和转捩SST模型均能较准确的模拟出静叶吸力面的层流分离和叶片通道内的二次流动。
　　以大涡模拟WALE模型的模拟结果为基础，对低速涡轮的内部流动进行了详细的分析，得到以下结论:静叶叶片表面存在大尺度的分离流动，分离流动沿径向有叶顶向叶根流动;由于分离流动、回流以及叶根处通道流动的共同作用，静叶叶根处的速度损失要明显高于叶顶处的速度损失。静叶尾迹对流动角的影响较小，对流动角起决定性作用的因素是叶片表面的分离流动。随着湍流强度的提高静叶表面的分离流动推迟。动叶入口处的低速微团在动叶通道内做周向运动的同时沿径向运动;高速微团则主要做周向运动。动叶尾缘存在较大的分离流动。
　　(2)低速涡轮在低雷诺数下的分离流动控制方法研究。研究了C型槽、V型槽、粗糙带和凸台四种被动控制方法和基于射流涡流发生器的主动控制方法。当来流湍流度为2％时，C型槽、V型槽以及租糙带三种被动控制方法未能起到抑制分离的效果。凸台在加载到前缘和最大厚度处时均可有效抑制流动分离，加载到分离前则会导致分离提前。当来流湍流度为0.5％时，四种被动控制方法均失效，只有射流涡流发生器能够起到抑制分离流动的效果。当射流吹风比小于2时控制效果不明显。当吹风比为2时则可以较好的控制流动分离。
　　对于不同控制方法产生不同控制效果的原因进行了分析。分析得出:被动控制方法是通过控制装置产生涡旋将高速流体带入边界层，提高叶片表面的湍动能来实现流动分离的控制;主动控制方式除了通过漩涡将高速流体的能量带入边界层外，自身的能量也会注入边界层，这两种方式共同作用提高了叶片表面的湍动能，实现流动分离的控制。

目录

声明

摘要

物理量名称及符号表

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 直列叶栅流动实验研究

1．2．2 环形叶栅流动实验研究

1．2．3 数值模拟研究现状

1．2．4 流动控制研究现状

1．3 本文研究目的和研究内容

1．4 本文的组织结构

2．1 引言

2．2 实验介绍

2．3 数值方法

2．3．1 控制方程

2．3．2 湍流模型

2．3．3 大涡模拟

2．4 本章小结

第3章 涡轮内部流动模拟结果分析

3．1 数值模型

3．1．1 计算域及网格

3．1．2 求解方法及边界条件

3．2 数值模拟结果与实验对比

3．3 静叶通道流动分析

3．4 动静干涉流动分析

3．5 动叶通道内流动分析

3．5．1 不同轴向位置流动分析

3．5．2 不同展向位置流动分析

3．5．3 叶片表面流动分析

3．6 进口湍流度对流动分离的影响

3．7 本章小结

第4章 分离流动控制方法比较

4．1 被动控制方法效果

4．1．1 来流湍流度为2％的流动控制

4．1．2 来流湍流度为0．5％的被动控制效果

4．2 主动控制方法效果

4．2．1 VGJs加载方式选择

4．2．2 VGJs控制效果分析

4．3 流动控制机理分析

4．3．1 被动控制方法控制机理

4．3．2 主动控制方法控制机理

4．4 本章小结

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果