低压透平叶片流动分离主动控制的数值研究

基于Langtry-Menter转捩模型的Menter SST两方程模型,通过数值求解了三维非定常雷诺时均Navier-Stokes方程,研究了雷诺数(Re)和来流湍流强度(IFSTI)对Pak-B低压透平叶片吸力面流动分离的影响.计算结果表明:该湍流模型能够较好地预测低压透平叶栅内流动特性,并能有效捕捉到叶片吸力面上流动分离和再附位置;随着Re和IFSTI的增大,叶片吸力面流动分离均有大幅度的减少.在Re和IFSTI较低的条件下,数值分析了涡流发生器(VGJ)对低压透平叶片表面流动分离的控制效果,结果表明:VGJ的引入能够有效抑制甚至消除低Re条件下叶片吸力面上的流动分离,减小总压损失和尾迹宽度.在VGJ流动控制中,存在着最佳吹气比,由此可获得最佳的流动控制效果.吹气比太小,不能有效抑制流动分离;吹气比太大,射流与主流掺混加剧,流动损失增加.当VGJ吹气比为2时,流动控制效果最佳,相对于无VGJ控制时的总压损失减少了45%.     

合成射流控制下低压高负荷透平叶片边界层分离大涡模拟

为了研究合成射流对低压高负荷透平叶片边界层流动分离进行控制的效果及机理,采用大涡模拟方法对利用合成射流控制低压高负荷透平Pak-B叶栅内的非稳态流动分离特性进行了研究.在合成射流控制下的结果表明:Pak-B叶栅吸力面流动分离位置变化不大,再附位置明显提前,叶栅吸力面尾缘区域逆压梯度明显减小,总压损失系数降低,分离泡尺寸缩小;叶栅吸力面大部分剪切层黏附于壁面,也未出现大尺度二维展向涡,静压脉动特征频率向高频转移,低频脉动幅值降低,大尺度涡旋结构发生变化.通过研究还发现:在吹气过程中,边界层外部高能流体被射流卷吸进入边界层内,边界层内流体能量增大进而抑制了分离;在吸气过程中,射流孔上游区域边界层厚度减小,流速增大,从而抑制了下游流动分离.     

尾缘开缝透平叶片内流动传热特性研究

采用带转捩的SSTk-ω湍流模型,计算获得了不同来流条件和冷气质量流量比条件下,尾缘开缝透平叶片内的总压损失和传热系数,分析了尾缘开缝结构对叶片表面流动传热性能的影响,并与实验数据进行对比,验证了数值方法的有效性和精度。计算结果表明:与常规叶片相比,尾缘开缝叶片在冷气质量流量比为1.3%、2.6%和5.2%时,叶片吸力面喉部区域压力系数分别增大了0.1、0.15和0.2左右,出口气流角分别增大了0.3°、0.4°和0.5°左右;尾缘开缝结构对叶片表面对流换热系数的影响区域主要位于吸力面喉部下游,与冷气质量流量比为1.3%的工况相比,尾缘开缝叶片在冷气质量流量比为2.6%和5.2%时,叶片尾缘吸力面侧对流换热系数分别增大了3%和5%左右;开缝壁面上压力及对流换热系数均随着冷气质量流量比的增大逐渐增大,但当冷气流量一定时,在不同主流雷诺数条件下,开缝壁面上的对流换热系数基本一致;冷气质量流量比为1.3%和2.6%时,尾缘开缝叶片总压损失比常规叶片高1%左右,当冷气质量流量比为5.2%时,主流总压损失低于常规叶片。     

合成射流用于提高微型飞行器翼型气动特性的研究

合成射流激励器可微型化,能够在流场局部实施细致的流动控制.提出将合成射流技术用于NACA0012翼型绕流的主动流动控制,在SIAMM400低速低湍流风洞中对该翼型绕流流场进行烟线显示实验、PIV测量实验及翼型表面压力测量实验,并与数值模拟结果相比较.结果表明：（1） 在来流雷诺数为18 000,翼型攻角小于15°时,合成射流能有效减小翼型表面附近的分离区大小;（2） 在翼型攻角 0°~ 15°范围内,不同攻角下需要调节最佳射流激励频率.如攻角为2.5°时,合适的激励器频率为1 300 Hz;攻角5°时,400 Hz和1 300 Hz比较适合;而攻角大于等于7.5°时,共振频率960 Hz更为合适;（3） 在来流雷诺数为140 000,攻角小于等于15°时,合成射流减小了翼型上表面射流出口附近的压力值,从而使上下表面压力差增大约5%,提高了升力.     

合成射流激励位置对控制翼型大攻角分离流动影响的数值研究

针对合成射流的激励位置这一因素,以NACA0015翼型为研究对象,对大攻角(α=20°)下基于弦长的Re为8.96×10~5、单个合成射流激励位于翼型吸力面不同位置时的流场进行了二维非定常计算,并利用本征正交分解(POD)方法对计算结果进行了分析,阐释了相关控制机理。研究表明,合成射流的激励位置对翼型流动分离的控制效果有显著影响。当激励位置位于0.12至0.4倍弦长之间时,合成射流激励能有效抑制翼型流动分离,提升升力系数,降低阻力系数,升阻比最高提升293%,其中最优激励位置并不在普遍认为的控制前时均分离点附近,而在离分离点下游一定距离的分离区内部。对计算结果的POD分析表明,合成射流的引入改变了流场不同模态间的能量分配,能量由代表平均流动的一阶模态向代表流场中湍流大尺度结构的二阶及更高阶模态转移。合成射流的最佳激励位置与控制前流场二阶模态翼型吸力面附近的特征涡结构有关,要达到最佳的控制效果,合成射流激励应放置在特征涡结构的位置,若布置在下游或者较远的上游位置,则无控制效果。     

高负荷扩压叶栅二维非定常数值模拟

为探究高负荷扩压叶栅在大正冲角下的非定常流动机理,应用数值方法与拓扑分析理论考察了大正冲角下叶栅内分离旋涡的发展过程,并分析了旋涡运动对流场参数的影响.结果表明,+15°冲角下叶栅内主要存在吸力面分离涡和尾缘涡,吸力面分离涡的脱落频率为104.7 Hz,尾缘涡和吸力面分离涡交替脱落形成两倍频211.5 Hz;分离涡在发展过程中会抑制和归并弱小旋涡,同时还会使叶片的局部气动负荷明显上升.     

带肋板尾缘开缝叶片内的流动传热性能研究

针对燃气透平带肋板的尾缘开缝叶片,采用RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)方程求解结合SST γ-Re_θ转换模型数值方法,研究了3种来流湍流度、3种来流雷诺数和3种冷气质量流量比条件下叶片和尾缘开缝区域的流动传热性能,并与无肋板开缝叶片进行了对比,利用实验数据考核了数值方法的有效性。计算结果表明:随着来流湍流度的增大,带肋板的尾缘开缝叶片表面传热系数逐渐增大,开缝壁面的传热系数基本不变,能量损失系数和总压损失系数随之增加;在相同来流湍流度时,增加来流雷诺数可降低损失;增大冷气质量流量比对叶片表面的传热系数影响很小,但可显著提升开缝壁面的传热系数;与无肋板的开缝叶片相比,带肋板的尾缘开缝叶片表面的传热系数和压力系数更低,开缝壁面换热系数更高;当Re为2.0×10⁶时,带肋板的开缝壁面平均换热系数比无肋板时的高14.46%,来流雷诺数分别为0.5×10⁶、1.0×10⁶、2.0×10⁶时,相比无肋板开缝叶片,带肋板尾缘开缝叶片的能量损失系数分别...     

合成射流对类车体流动控制的影响

基于大涡模拟对有无合成射流控制的三维类车体流场进行仿真,与试验结果对比,验证仿真方法有效.平均场结果表明,当合成射流出口位于顶盖和斜背交界处时,可减弱流动分离,缩小回流区,改变背压,降低阻力.频谱分析显示,当激励动量系数超过1.0×10~(-4)时,斜背表面压力、回流区速度和涡量以及阻力系数功率谱密度对应的峰值频率皆为激励频率.瞬态流场分析结果指出,合成射流与外流之间的交互作用导致了阻力系数曲线中出现周期性改变的波谷和波峰.     

雷诺数和湍流度对叶片表面边界层转捩和换热特性的影响

为了深入了解涡轮叶片表面边界层转捩特性及其对换热系数的影响,在叶栅风洞中分别测量了进口雷诺数为5×10⁵、6×10⁵和7×10⁵时叶片表面压力分布,并将压力数据加载到边界层计算程序TEXSTAN中,计算了每个进口雷诺数在来流湍流度为3%、5%和7%时叶片表面换热系数分布。结果表明,进口雷诺数增大,压力面转捩点基本不变,吸力面转捩点前移3%~7%相对弧长,换热系数沿叶片型面减小的区域缩短。来流湍流度对压力面流动和换热的影响弱于吸力面,湍流度增大使压力面转捩点前移5%~10%,换热系数增加16%~34%,使吸力面转捩点前移17%~24%,换热系数增加19%~41%。     

采用球窝控制边界层分离流动的大涡模拟

用具有逆压梯度的平板分离流动模拟低压透平叶片吸力面的分离流动,采用基于动力Sma-gorinsky亚格子应力模型的大涡模拟对逆压梯度条件下布置在平板上单个球窝的流动特性及球窝对边界层分离流动控制的效果进行了研究,详细考察了球窝前沿边界层厚度和球窝深度的比值R分别为0.378、0.994和1.453时球窝的流动特性和控制性能.结果表明:R较小时控制性能最好;球窝内部的马蹄涡对球窝的流动起主导作用;球窝内的马蹄涡周期性脱落并在球窝尾迹区形成发夹涡排,发夹涡涡腿紧贴壁面形成流向涡,流向涡卷吸主流高能流体,由此增强了边界层能量.马蹄涡和发夹涡排对分离流动控制起主要作用.