基于周向弯曲旋转叶片的动静干涉流场及其气动噪声的数值研究

论文摘要

叶片排间的动静干涉是叶轮机械固有的非定常流动特征。动静干涉流动主要包括:相邻叶排间的势干扰、尾迹与叶排的干扰、二次流与叶排的干扰。其中,尾迹在下游叶片表面的非定常脉动力引起的动静干涉噪声,是高涵道比涡扇发动机主要噪声源之一,也是干线喷气客机在起飞、降落过程中的主要声源,应用弯掠叶片技术具有提高气动效率、减小流动损失、扩大稳定运行工况范围和降低气动噪声等显著优点。通过叶片弯掠技术优化动静叶排干涉流场,进而控制气动噪声具有重要的理论研究意义和工程应用价值。本文将弯掠叶片技术引入到轴流风扇动静叶排中,研究弯掠叶片对动静干涉流动的影响,探讨通过弯掠叶片技术降低动静干涉气动噪声的可能。本文以低压轴流风扇三个不同周向弯曲角度的旋转动叶与同一径向直立静叶的组合为研究对象,采用数值计算方法,研究了动叶周向弯曲对于动静干涉非定常流动及气动噪声的影响。本文主要研究内容和研究成果如下:1)以T35通风机叶轮为原型设计加工了径向、周向前弯、周向后弯三个转子叶轮,并匹配相应的静子叶轮。在NUMECA-Fine/Turbo软件平台上,利用混合平面法对所研究的叶轮内部三维流场进行了定常计算,利用滑移网格技术对流场进行非定常数值计算。计算结果表明,在压升方面前弯叶片比原型叶片性能更优,后弯叶片的性能则有所下降。2)通过分析总压升、各速度分量沿叶高的分布研究了动叶周向弯曲对径向二次流的控制。前弯叶轮的最大总压出现在比径向叶轮更靠近叶片中部的位置;后弯叶轮比径向叶轮则更靠近叶顶。具有一定周向前弯角度的叶片内部流场中,由于叶片对流体作用力的径向分量与流体所受到的惯性离心力的共同作用,改变了叶片表面附面层流体的迁移方向。3)基于计算结果分析了动静级间总压脉动、动叶尾迹的形状、传播以及尾迹与下游静叶的相互作用。结果表明动叶周向弯曲有利于动叶尾迹和主流的掺混,能够加快尾迹耗散。动叶周向弯曲可以直接改变动叶尾迹形状,形状弯曲的尾迹与静叶作用时在不同叶高存在相位差,可以减小静叶所受合力的峰值。4)采用涡脱落噪声预测的Fukano模型对动静叶的宽频噪声声压级进行了预测。动叶涡脱落噪声是主要的宽频噪声。前弯动叶宽频噪声的声压级最小、径向次之、后弯最大。利用Lowson模型对静叶离散频率噪声辐射声压级预测表明动叶周向弯曲可以减小静叶表面的噪声辐射。本文探索性研究了动叶周向弯曲对动静级间二次流控制、尾迹特性、动静干涉以及气动噪声的影响,为弯掠叶片技术成熟应用于风扇压气机领域提供了一定的参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 主要符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 课题意义和背景
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 动静干涉非定常流动研究
• 1.2.2 弯掠叶片技术研究
• 1.2.3 动静干涉气动噪声研究
• 1.3 本文研究目的和工作内容
• 第二章 研究对象及方法
• 2.1 叶轮设计
• 2.1.1 轴流风扇周向弯曲叶片定义
• 2.1.2 周向弯曲叶片设计
• 2.2 数值计算方法
• 2.2.1 数值计算基本理论
• 2.2.2 计算网格划分
• 2.2.3 叶轮机械数值计算特点
• 2.2.4 计算设置及过程监控
• 2.3 气动性能实验
• 2.3.1 流量测量
• 2.3.2 压升测量
• 2.3.3 实验与数值计算对比分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 动静级间流场分析
• 3.1 动静级间截面流场分析
• 3.1.1 动静级间截面的全压分布
• 3.1.2 动静级间截面的出流角分布
• 3.1.3 动静级间截面的速度分布
• 3.2 周向弯曲叶片对流动损失的影响
• 3.3 本章小结
• 第四章 尾迹传播以及与静叶的干涉
• 4.1 级间总压脉动及衰减过程
• 4.2 尾迹形状及传播过程
• 4.2.1 尾迹形状描述方法
• 4.2.2 尾迹形状及传播特性
• 4.3 级间旋流（SWIRLINGFLOW）对尾迹的影响
• 4.4 尾迹、叶顶泄漏流与静叶的干涉
• 4.4.1 静叶表面均方根压力分布
• 4.4.2 尾迹与静叶的干涉
• 4.5 本章小结
• 第五章 动静干涉气动噪声预测
• 5.1 噪声预测混合方法
• 5.2 宽频噪声预测
• 5.2.1 Fukano模型
• 5.2.2 模型特征参数确定
• 5.2.3 宽频噪声预测结果
• 5.3 离散频率噪声预测
• 5.3.1 Lowson模型
• 5.3.2 静叶表面压力脉动分布
• 5.3.3 静叶表面离散频率声辐射
• 5.4 总声压级结果
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 研究总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读学位期间已发表或录用的论文
• 致谢