附面层抽吸对扩压叶栅气动性能影响的数值研究

论文摘要

现代的轴流压气机设计要求具有更低的重量和更小的尺寸,这意味着需要更高的单级负荷和压比。在影响压气机气动性能的各因素中,附面层流动状况具有决定作用。吸气式压气机设计系列的研究表明,采用附面层抽吸技术,可以大大提高压气机叶栅的负荷水平和扩压能力,是一种具有广阔发展前景的新概念压气机设计。本文以带有抽吸结构的轴流式压气机为研究对象,其抽吸结构包括抽吸槽、吸气腔和抽吸圆管,抽吸槽分别位于静叶吸力面和静叶下端壁近吸力面处,静叶具有大转角的特点。以商业软件NUMECA为平台,利用数值方法模拟了低速条件下,不同抽吸方式和不同抽吸量下附面层抽吸对压气机叶栅气动性能的影响。结果表明,附面层抽吸可以在一定程度上减小马蹄涡和二次流对流动的影响,能有效地延迟吸力面的分离趋势和降低分离的强度,并能使吸力面角区低能流体的积聚减弱,阻塞作用减轻,从而使流动损失减小,扩压能力得以恢复。着重对不同抽吸方式下采用不同抽吸量进行了对比分析,其抽吸方式分为三类:下端壁抽吸,吸力面抽吸,下端壁和吸力面同时抽吸的组合抽吸方式。研究表明,叶栅进口马赫数一定时,每一种的抽吸方式都对应着一个最佳的吸气量;所有抽吸方案均能使叶栅的总压损失减小,但是单一的抽吸方式不能彻底消除分离,组合抽吸能更好地控制叶栅的三维分离流动,总压损失降低最高可达28.5%。本文最后对各吸气腔内的流动进行了分析。分析表明,各吸气腔内存在明显的大尺度旋涡结构,造成了流动损失的增加,这在一定程度上弱化了附面层抽吸所带来的增益。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 吸气式压气机研究与发展概况
• 1.1.1.1 国外研究概况
• 1.1.1.2 国内研究概况
• 1.1.2 数值模拟技术研究与发展概况
• 1.2 压气机气动设计及优化方法
• 1.2.1 叶栅气动设计和优化
• 1.2.2 叶片设计方法
• 1.3 附面层控制方法
• 1.3.1 叶栅损失与旋涡结构
• 1.3.1.1 叶栅损失介绍
• 1.3.1.2 复杂的涡系结构
• 1.3.2 附面层抽吸机理
• 1.4 本文研究内容
• 第2章 流场计算方法
• 2.1 基本控制方程
• 2.2 湍流模型
• 2.3 控制方程的离散
• 2.3.1 控制方程的空间离散
• 2.3.2 控制方程的时间离散
• 2.4 收敛加速及收敛标准
• 2.4.1 收敛加速方法
• 2.4.2 收敛标准
• 2.5 计算网格
• 2.5.1 网格生成
• 2.5.2 网格质量
• 2.6 定解条件
• 2.6.1 初始条件
• 2.6.2 边界条件
• 2.7 本章小结
• 第3章 不同抽吸方案的对比分析
• 3.1 数值方法和计算算例
• 3.2 数值模拟结果及分析
• 3.2.1 出口节距平均总压损失系数沿叶高的分布
• 3.2.2 总压损失系数沿轴向的分布
• 3.2.3 出口截面总压损失系数分布
• 3.2.4 壁面极限流线分析
• 3.2.5 静压分布
• 3.3 本章小结
• 第4章 吸气腔内的流动分析
• 4.1 吸气腔1 内的流动分析
• 4.1.1 压力场分布
• 4.1.2 温度场分布
• 4.1.3 速度场分布
• 4.2 吸气腔2 内的流动分析
• 4.2.1 压力场分布
• 4.2.2 温度场分布
• 4.2.3 速度场分布
• 4.3 下端壁吸气腔内的流动分析
• 4.3.1 压力场分布
• 4.3.2 温度场分布
• 4.3.3 速度场分布
• 4.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢