毫米尺度下壁面粗糙度影响、微叶栅气流分离等内流问题研究

论文摘要

毫米尺度低雷诺数下的流动特性研究是对厘米级微型涡轮发动机基础技术研究的重要组成部分。本文在这个条件下研究了壁面粗糙度对摩阻的影响和微型化后叶栅分离特性的变化。首先,设计、加工了壁面含不同粗糙度值和不同粗糙度纹理方向的300mm×20mm×0.5mm矩形直通道,通过测量通道气流流量和沿程静压值,探索粗糙度大小及其纹理方向对气流流动特性的影响,揭示毫米尺度流动与常规尺度流动的不同点。实验结果表明在0.5mm高的微通道内,流动转捩雷诺数比常规尺度下小,约在400-1200之间;同一粗糙度量级下,横向、斜向纹理对气流流动的影响相对较大,转捩雷诺数比纵向纹理转捩雷诺数小;横向纹理产生的流动阻力最大,斜向的其次,纵向的最小。。然后,参照NACA65-810叶型及其各项参数,设计、加工含5个微小叶栅通道的实验段,通过直径0.1mm的7个静压孔测量叶背处静压值,探究微型压气机平面叶栅的在不同来流角度下的气流分离规律,揭示其在低雷诺数下叶背气流分离与常规尺度下的不同,研究其微小尺度特性。微叶栅实验结果表明:在微小尺度下叶栅叶背处的压力系数比常规尺度下小的多;在攻角α1 =1.2时已经开始分离,气流分离区域在攻角α1 = 2.8、5.2、7. 2和9 .2下较常规尺度提前约15%弦长;在同一来流角度下,Re数在13300-38900范围内,随着Re的升高,压力系数S变大,但叶背处气流的分离位置基本不变。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题的研究背景和研究意义
• 1.2 毫米尺度流动理论简介
• 1.2.1 表面效应
• 1.2.2 流动可压缩性
• 1.2.3 低雷诺数效应
• 1.2.4 流固界面条件以及流动状态改变
• 1.3 国内外毫米尺度流动的研究状态
• 1.3.1 壁面粗糙度对毫米尺度流动影响的国内外研究动态
• 1.3.2 叶轮流动分离的国内外研究现状
• 1.4 本文的研究内容
• 第二章 实验系统介绍
• 2.1 气源设备简介
• 2.2 净化和稳压系统简介
• 2.2.1 初级净化和稳压系统
• 2.2.2 次级净化和稳压系统简介
• 2.3 微型风洞
• 2.4 壁面粗糙度实验件的设计
• 2.4.1 微小通道的设计
• 2.4.2 玻璃浮子流量计
• 2.4.3 表面粗糙度的测量
• 2.5 微型压气机叶栅气流分离实验件的设计
• 2.5.1 叶型的选取
• 2.5.2 叶栅实验设计方案介绍
• 2.6 数据采集系统
• 2.6.1 压力扫描阀
• 2.6.2 压力采样时间的确定
• 2.7 误差分析
• 2.7.1 实验主要误差来源
• 2.7.2 误差传递
• 2.7.3 实验系统随机误差分析
• 2.8 小结
• 第三章 毫米尺度直通道壁面粗糙度对流动特性的影响
• 3.1 问题的提出
• 3.2 实验方案与数据处理方法
• 3.2.1 壁面粗糙度及沿程静压孔说明
• 3.2.2 实验具体操作方案
• 3.2.3 实验数据处理方法
• 3.3 沿程压力分布情况分析
• 3.4 表面粗糙度对毫米尺度流动阻力特性的影响分析
• 3.5 小结
• 第四章 毫米尺度压气机叶栅的气流分离特性研究
• 4.1 分离的识别—判定分离的条件
• 4.2 实验方案简介
• 4.2.1 叶背处静压孔说明
• 4.2.2 实验状态选取
• 4.3 静压孔分布位置不同对叶背气流的影响
• 4.3.1 影响壁面静压孔测量精度的因素
• 4.3.2 两种静压孔布置方案实验结果的比较
• 4.4 实验结果与常规尺度的比较
• 4.5 不同雷诺数下叶背气流特性
• 4.6 小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 本文工作的结论
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文
• 附录一 粗糙度实验段图纸
• 附录二 微型压气机叶栅实验设计图纸
• 附录三 叶栅静压孔位置分布图
• 附录四 在 5个不同流速下的 a、b 方案叶背静压分布对比图
• 附录五 不同 Re 数情况下叶背压力系数分布