本文關(guān)鍵詞：軸流壓氣機懸臂式靜葉端部流動實驗及數(shù)值模擬研究

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【摘要】：在軸流壓氣機設(shè)計中,可選用懸臂式或圍帶式兩種不同的靜葉結(jié)構(gòu)。選用不同的靜葉結(jié)構(gòu)會使端部流動產(chǎn)生變化,從而影響壓氣機氣動性能,但影響機理并未有統(tǒng)一結(jié)論,與之相關(guān)的端部流動結(jié)構(gòu)變化機理仍需更深入的研究,以便進一步挖掘壓氣機性能提升的潛力。在本文中,通過壓氣機平面葉柵實驗結(jié)合數(shù)值模擬手段,以無間隙葉柵定性代表圍帶式靜葉結(jié)構(gòu),以不同間隙大小葉柵代表懸臂式靜葉結(jié)構(gòu),在較大工況范圍內(nèi),研究采用不同靜葉結(jié)構(gòu)時端部流動結(jié)構(gòu)的變化機理,對比不同端部流動結(jié)構(gòu)對葉柵氣動性能的影響,從而為靜葉端部流場優(yōu)化設(shè)計及上下游葉片的匹配設(shè)計提供參考。本文第一部分首先在較大的攻角范圍內(nèi),通過實驗對無間隙葉柵氣動性能以及內(nèi)部流動結(jié)構(gòu)展開研究。大負攻角工況下,葉柵內(nèi)部存在從前緣端部向展向中部發(fā)展的三維分離渦結(jié)構(gòu),并在展向中部造成高損失區(qū)。設(shè)計工況下,葉柵整體損失隨攻角變化較小,端部存在輕微角區(qū)分離。角區(qū)失速工況下,端部存在角區(qū)失速結(jié)構(gòu),大幅降低端部性能,此時葉柵整體損失隨攻角增大而增大。組成角區(qū)失速結(jié)構(gòu)的流體來源為受二次流效應影響的端壁附近流體,以及受尾緣壓差驅(qū)動的回流。來流邊界層增厚及進口主流速度增大都會使角區(qū)失速在更小的攻角下發(fā)生。第二部分中,在三個典型工況下引入間隙,通過實驗手段研究了間隙變化對葉柵端部流動結(jié)構(gòu)以及葉柵性能的影響。大負攻角工況下,不同間隙葉柵都存在前緣分離渦結(jié)構(gòu),間隙增大可以使葉柵總損失近似線性減小,并使間隙側(cè)氣流折轉(zhuǎn)能力略微提升。設(shè)計工況下,小間隙(0.2%展長)會加劇無間隙葉柵原有的角區(qū)分離結(jié)構(gòu),當間隙進一步增大時,角區(qū)分離消失并形成泄漏渦結(jié)構(gòu)。葉柵總損失隨間隙增大呈先增大后減小再增加的趨勢,角區(qū)分離的消除有助于提高間隙側(cè)氣流折轉(zhuǎn)能力。角區(qū)失速工況下,間隙的引入可以削弱并移除間隙側(cè)角區(qū)失速結(jié)構(gòu),從而使葉柵總損失下降,并在0.5%展長間隙時達到最小值,同時間隙側(cè)氣流折轉(zhuǎn)能力得到增強。在間隙變化過程中,兩側(cè)端部流動結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相互影響。通過實驗油流顯示和數(shù)值模擬研究證明,弦向不同位置泄漏流是由從前緣壓力面附近區(qū)域進入葉柵流道的流體組成。間隙的存在會在間隙內(nèi)部和吸力面附近產(chǎn)生一個低壓區(qū),該低壓區(qū)隨間隙減小向前緣收縮,從而使弦向中后部泄漏流降低,有利于角區(qū)分離的發(fā)生。當角區(qū)分離發(fā)展到附著于吸力面時,端部流動以角區(qū)分離為主導,否則以泄漏渦為主導。來流邊界層變化對泄漏渦結(jié)構(gòu)影響較小。當角區(qū)分離和泄漏渦結(jié)構(gòu)同時存在時,來流邊界層增厚會加劇角區(qū)分離,使葉柵性能下降。進口主流速度在中亞音速以內(nèi)時,間隙變化對端部流動的影響規(guī)律基本保持一致。第三部分中,通過數(shù)值模擬手段,研究采用弦向階梯狀非均勻間隙對懸臂式靜葉間隙側(cè)端部流場的影響。結(jié)果顯示,存在最優(yōu)的階梯狀非均勻間隙配置,使葉柵性能最優(yōu)。并且在弦向后部布置局部大間隙對靜葉性能提升效果要優(yōu)于布置于弦向前部。通過實驗和數(shù)值模擬顯示,合適的葉柵倒角可以削弱無間隙側(cè)角區(qū)失速結(jié)構(gòu),從而進一步提升懸臂式靜葉整體性能。第四部分中,利用熱線風速儀在柵后不同軸向位置,測量不同端部流動結(jié)構(gòu)特性。結(jié)果表明,端部流動結(jié)構(gòu)所引起的柵后高湍流度區(qū)范圍與高損失區(qū)范圍基本一致。葉柵環(huán)境下,角區(qū)失速結(jié)構(gòu)具有低頻的特征頻率,而泄漏渦結(jié)構(gòu)及設(shè)計工況下的角區(qū)分離結(jié)構(gòu)沒有明顯的特征頻率。角區(qū)失速結(jié)構(gòu)內(nèi)部不同空間點的頻譜特性相差很大,顯示出各向異性的特征。而泄漏渦結(jié)構(gòu)內(nèi)部不同空間點的頻譜特性相似。在同時存在泄漏流和較大角區(qū)分離的小間隙葉柵中,間隙側(cè)端部流動的非穩(wěn)態(tài)特性受角區(qū)分離主導。在向下游發(fā)展過程中,角區(qū)失速結(jié)構(gòu)的頻譜特性衰減速度要快于泄漏渦結(jié)構(gòu)。
【關(guān)鍵詞】：軸流壓氣機 懸臂式靜葉 泄漏渦 角區(qū)失速 階梯狀非均勻間隙 來流邊界層
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(工程熱物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TK474.81
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-20
• 第一章 緒論20-38
• 1.1 研究背景及意義20-23
• 1.2 壓氣機靜葉端部典型流動結(jié)構(gòu)研究進展23-34
• 1.2.1 泄漏渦結(jié)構(gòu)研究23-26
• 1.2.1.1 泄漏渦結(jié)構(gòu)特性23-25
• 1.2.1.2 泄漏渦控制手段25-26
• 1.2.2 角區(qū)分離結(jié)構(gòu)研究26-33
• 1.2.2.1 角區(qū)分離結(jié)構(gòu)特性26-30
• 1.2.2.2 角區(qū)失速控制手段30-33
• 1.2.3 角區(qū)分離與泄漏渦的相互作用研究33-34
• 1.3 對壓氣機靜葉端部流動相關(guān)研究的總結(jié)及其對本文研究內(nèi)容的啟發(fā)34-35
• 1.4 本文研究內(nèi)容及研究目標35-38
• 第二章 葉柵實驗平臺及數(shù)據(jù)處理方法介紹38-54
• 2.1 引言38
• 2.2 低速壓氣機平面葉柵風洞38-39
• 2.3 風洞品質(zhì)39-41
• 2.3.1 進口氣流均勻性39-40
• 2.3.2 進口主流湍流度40
• 2.3.3 出口氣流周期性40-41
• 2.4 可調(diào)間隙葉柵幾何參數(shù)及結(jié)構(gòu)介紹41-42
• 2.5 油流顯示法介紹42-44
• 2.6 測量及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)44-49
• 2.6.1 硬件系統(tǒng)44-45
• 2.6.2 軟件控制程序45-46
• 2.6.3 測量設(shè)備46-49
• 2.6.3.1 壓力掃描閥46-47
• 2.6.3.2 七孔氣動探針47-48
• 2.6.3.3 熱線風速儀48
• 2.6.3.4 端壁靜壓測量設(shè)備48-49
• 2.7 數(shù)據(jù)處理方法及誤差分析49-51
• 2.7.1 質(zhì)量加權(quán)平均法49
• 2.7.2 實驗誤差分析49-51
• 2.8 數(shù)值模擬手段及網(wǎng)格生成方法介紹51-52
• 2.9 本章小結(jié)52-54
• 第三章 無間隙葉柵氣動性能和內(nèi)部流動結(jié)構(gòu)研究54-82
• 3.1 引言54
• 3.2 無間隙葉柵氣動性能隨攻角變化的實驗研究54-59
• 3.3 無間隙葉柵典型工況下的內(nèi)部流動結(jié)構(gòu)研究59-80
• 3.3.1 設(shè)計工況下內(nèi)部流動結(jié)構(gòu)分析60-63
• 3.3.2 角區(qū)失速工況下內(nèi)部流動結(jié)構(gòu)分析63-69
• 3.3.3 大負攻角工況下內(nèi)部流動結(jié)構(gòu)分析69-72
• 3.3.4 來流邊界層變化對角區(qū)失速現(xiàn)象的影響72-78
• 3.3.5 進口主流速度變化對角區(qū)失速現(xiàn)象的影響78-80
• 3.4 本章小結(jié)80-82
• 第四章 典型工況下間隙變化對端部流動結(jié)構(gòu)和氣動性能的影響82-118
• 4.1 引言82
• 4.2 設(shè)計工況82-94
• 4.2.1 設(shè)計工況下間隙變化對氣動性能的影響82-86
• 4.2.2 設(shè)計工況下不同間隙葉柵內(nèi)流場結(jié)構(gòu)變化86-94
• 4.3 角區(qū)失速工況94-103
• 4.3.1 角區(qū)失速工況下間隙變化對氣動性能的影響94-96
• 4.3.2 角區(qū)失速工況下不同間隙葉柵內(nèi)流場結(jié)構(gòu)變化96-103
• 4.4 大負攻角工況103-108
• 4.4.1 大負攻角工況下間隙變化對氣動性能的影響103-106
• 4.4.2 大負攻角工況下不同間隙葉柵內(nèi)流場結(jié)構(gòu)變化106-108
• 4.5 來流邊界層變化對帶間隙葉柵端部流動的影響108-112
• 4.6 進口主流速度變化對帶間隙葉柵端部流動的影響112-116
• 4.7 本章小結(jié)116-118
• 第五章 懸臂式靜葉流場改善手段探索118-134
• 5.1 引言118
• 5.2 階梯狀非均勻間隙對葉柵性能的影響118-128
• 5.2.1 設(shè)計工況下采用階梯狀非均勻間隙對葉柵性能影響119-124
• 5.2.2 角區(qū)失速工況下采用階梯狀非均勻間隙對葉柵性能的影響124-128
• 5.3 葉柵倒角對帶間隙葉柵性能影響128-132
• 5.4 本章小結(jié)132-134
• 第六章 端部流動結(jié)構(gòu)非穩(wěn)態(tài)特性的實驗研究134-148
• 6.1 引言134
• 6.2 不同端部流動結(jié)構(gòu)柵后湍流度分布特性對比134-140
• 6.2.1 角區(qū)失速工況下柵后湍流度分布特性研究134-139
• 6.2.2 設(shè)計工況及大負攻角下柵后湍流度分布特性研究139-140
• 6.3 端部流動結(jié)構(gòu)頻譜特性分析140-146
• 6.3.1 角區(qū)失速工況下端部流動結(jié)構(gòu)頻譜特性分析141-143
• 6.3.2 角區(qū)失速工況下端部流動結(jié)構(gòu)頻譜特性軸向衰減分析143-144
• 6.3.3 設(shè)計工況及大負攻角工況下端部流動結(jié)構(gòu)頻譜特性分析144-146
• 6.5 本章小結(jié)146-148
• 第七章 總結(jié)與展望148-152
• 7.1 總結(jié)148-150
• 7.2 本文的創(chuàng)新之處150
• 7.3 研究展望150-152
• 主要符號說明152-154
• 參考文獻154-168
• 攻讀博士學位期間的學術(shù)論文、專利申請與獲獎情況168-170
• 致謝170

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本文編號：766065