跨聲速壓氣機(jī)靜葉三維旋渦結(jié)構(gòu)研究
發(fā)布時(shí)間：2017-10-02 18:00
本文關(guān)鍵詞：跨聲速壓氣機(jī)靜葉三維旋渦結(jié)構(gòu)研究
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【摘要】：先進(jìn)的燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家工業(yè)水平、軍事實(shí)力,甚至是綜合國力的重要標(biāo)志之一,同時(shí)也是各國科技及軍事工業(yè)優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域和重點(diǎn)研發(fā)的對(duì)象,作為燃?xì)廨啓C(jī)的三大核心部件之一的壓氣機(jī)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的總體性能起到關(guān)鍵的作用。壓氣機(jī)內(nèi)的氣體流動(dòng)存在黏性、可壓縮和非定常的三維流動(dòng)特征,流場(chǎng)中總是存在氣流的分離及旋渦運(yùn)動(dòng),這些復(fù)雜的流體運(yùn)動(dòng)影響著壓氣機(jī)的高效運(yùn)轉(zhuǎn)及穩(wěn)定運(yùn)行。因此,了解并掌握壓氣機(jī)內(nèi)分離流動(dòng)與旋渦結(jié)構(gòu)產(chǎn)生與發(fā)展的機(jī)理,對(duì)于改善壓氣機(jī)氣動(dòng)性能,降低流動(dòng)損失,提高效率與穩(wěn)定性具有重要意義。國內(nèi)外對(duì)于壓氣機(jī)旋渦結(jié)構(gòu)的研究工作,大多是基于時(shí)均流場(chǎng)下的旋渦結(jié)構(gòu),或者是關(guān)注于動(dòng)葉葉頂泄漏流動(dòng)等壓氣機(jī)內(nèi)局部區(qū)域的非定常流動(dòng),對(duì)于壓氣機(jī)全流道內(nèi)的三維非定常旋渦結(jié)構(gòu)的研究工作則較少。本論文以某型單級(jí)軸流式跨聲速壓氣機(jī)為研究對(duì)象,研究壓氣機(jī)靜葉三維非定常旋渦結(jié)構(gòu)及其時(shí)空演化機(jī)制。首先,利用NASA Rotor37的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)值模擬軟件ANSYS CFX進(jìn)行了詳細(xì)的校核,驗(yàn)證了數(shù)值分析的可信性。同時(shí),采用低速壓氣機(jī)試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)環(huán)形葉柵直角坐標(biāo)系下的二次流公式做了詳細(xì)的分析。其次,對(duì)于定常計(jì)算得到的壓氣機(jī)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的設(shè)計(jì)工況、近失速工況和阻塞工況時(shí)靜葉葉片表面和輪轂端壁流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)的氣動(dòng)和拓?fù)浞治?并采用Q-準(zhǔn)則方法補(bǔ)充靜葉流道內(nèi)旋渦結(jié)構(gòu)演化規(guī)律,最終建立了跨聲速壓氣機(jī)靜葉三維定常旋渦結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明：設(shè)計(jì)工況下,在靜葉頂部吸力面?zhèn)却嬖谝粋�(gè)閉式分離區(qū)：在近失速工況下,靜葉吸力面氣流大部分處于分離狀態(tài),有可能導(dǎo)致壓氣機(jī)的靜葉失速；在阻塞工況下,由于靜葉兩側(cè)的超聲速流動(dòng)和激波導(dǎo)致葉片兩側(cè)均發(fā)生氣流分離,并導(dǎo)致壓氣機(jī)流道發(fā)生阻塞。壓氣機(jī)設(shè)計(jì)工況下的三維定常旋渦結(jié)構(gòu)主要有：氣流繞流靜葉前緣形成的馬蹄渦、在橫向壓力梯度作用下從葉片壓力面脫落形成的壓力面分離渦、受到馬蹄渦壓力面分支和壓力面分離渦相互搓洗而形成的通道渦、從葉片吸力面分離形成的集中脫落渦等旋渦結(jié)構(gòu)。在近失速工況下,葉片吸力面的大范圍氣流分離流動(dòng)形成復(fù)雜的吸力面分離渦系。在阻塞工況下,靜葉壓力面?zhèn)葴u系相互作用新生成出通道渦的衍生渦。進(jìn)而,在建立起來的壓氣機(jī)靜葉三維定常旋渦結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,從設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)失速過程和比轉(zhuǎn)速下的壓氣機(jī)近失速工況兩個(gè)角度,用拓?fù)浞治龇椒ń⒘藟簹鈾C(jī)失速過程的靜葉旋渦結(jié)構(gòu),并用拓?fù)浔碚鞣▉斫忉寜簹鈾C(jī)動(dòng)態(tài)失速機(jī)理。結(jié)果表明：壓氣機(jī)在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下的失速過程主要體現(xiàn)在靜葉吸力面氣流的分離程度不斷加劇,從一個(gè)閉式分離區(qū)發(fā)展到空間閉式分離泡,并形成徑向分離渦,并且隨著分離程度的擴(kuò)大,形成復(fù)雜的吸力面分離渦系,這一方面削弱其他渦系,另一方面卷積了大量的低能流體團(tuán),堆積在流道內(nèi),形成閉式分離區(qū)域,堵塞了流道,減小了有效通流面積,降低了壓氣機(jī)流量。同時(shí),由于渦系之間的搓洗、吞并與破裂,及其對(duì)低能流體團(tuán)的輸運(yùn),造成能量損失,削弱了壓氣機(jī)的增壓能力,有可能造成壓氣機(jī)的靜葉失速。在比轉(zhuǎn)速下,壓氣機(jī)近失速工況的分離區(qū)域范圍隨著轉(zhuǎn)速的升高而不斷擴(kuò)大,而不同轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)近失速工況的旋渦結(jié)構(gòu)基本一致。最后,對(duì)壓氣機(jī)設(shè)計(jì)工況下的流場(chǎng)進(jìn)行了詳細(xì)的非定常計(jì)算,通過壓氣機(jī)流場(chǎng)的熵、靜壓和馬赫數(shù)以及葉片表面和端壁的流線等氣動(dòng)參數(shù)的分布詳細(xì)地分析了非定常因素(動(dòng)葉尾跡、動(dòng)葉葉頂泄漏流動(dòng)、靜葉流道內(nèi)激波與附面層相互作用等)對(duì)壓氣機(jī)靜葉流場(chǎng)的影響機(jī)理,建立了壓氣機(jī)靜葉三維非定常旋渦結(jié)構(gòu)模型,揭示了非定常因素對(duì)旋渦結(jié)構(gòu)的影響機(jī)理。結(jié)果表明：壓氣機(jī)靜葉三維定常旋渦結(jié)構(gòu)和非定常旋渦結(jié)構(gòu)基本一致,非定常因素主要是影響了旋渦的生成位置以及旋渦的強(qiáng)度和尺寸,使這些參數(shù)發(fā)生了非定常的周期性波動(dòng)。動(dòng)葉尾跡對(duì)下游靜葉的掃掠造成了動(dòng)靜葉交界面氣流角的周期性波動(dòng),影響了靜葉來流沖角,并且影響靜葉吸力面激波強(qiáng)度,還改變了靜葉流道內(nèi)的靜壓場(chǎng)分布,從而影響通道渦及壓力面分離渦的強(qiáng)度和生成位置,并影響了靜葉吸力面葉表分離程度及集中脫落渦的形態(tài)。靜葉流道內(nèi)的激波強(qiáng)度的變化,影響了激波對(duì)靜葉葉表附面層的作用,導(dǎo)致靜葉前緣閉式分離泡的形態(tài)發(fā)生周期性變化；同時(shí),激波造成的熵增的波動(dòng),最終導(dǎo)致壓氣機(jī)級(jí)效率的周期性波動(dòng)。動(dòng)葉葉頂泄漏流動(dòng)主要是改變了靜葉沖角的分布,并抑制了靜葉前緣馬蹄渦的生成。
【關(guān)鍵詞】：跨聲速壓氣機(jī) 靜葉 三維流動(dòng) 旋渦結(jié)構(gòu) 拓?fù)浞治?/strong>
【學(xué)位授予單位】：大連海事大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TK474.8
【目錄】：
- 創(chuàng)新點(diǎn)摘要5-6
- 摘要6-8
- ABSTRACT8-14
- 符號(hào)表14-17
- 第1章 緒論17-37
- 1.1 課題研究背景及意義17-19
- 1.2 葉輪機(jī)械旋渦結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀19-30
- 1.2.1 無葉頂間隙的葉柵旋渦結(jié)構(gòu)模型20-26
- 1.2.2 帶有葉頂間隙的葉柵旋渦結(jié)構(gòu)模型26-28
- 1.2.3 壓氣機(jī)級(jí)的旋渦結(jié)構(gòu)模型28-30
- 1.3 變工況下壓氣機(jī)流場(chǎng)與旋渦結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀30-33
- 1.4 影響壓氣機(jī)非定常流場(chǎng)與旋渦結(jié)構(gòu)的因素研究現(xiàn)狀33-35
- 1.4.1 激波/附面層干涉對(duì)壓氣機(jī)流場(chǎng)與旋渦結(jié)構(gòu)的影響33
- 1.4.2 葉頂泄漏流動(dòng)對(duì)壓氣機(jī)流場(chǎng)與旋渦結(jié)構(gòu)的影響33-34
- 1.4.3 葉列間的流場(chǎng)對(duì)壓氣機(jī)流場(chǎng)與旋渦結(jié)構(gòu)的影響34-35
- 1.5 本論文的主要研究內(nèi)容和目標(biāo)35-37
- 第2章 數(shù)值模擬手段與流場(chǎng)分析方法37-53
- 2.1 引言37
- 2.2 研究對(duì)象介紹37-40
- 2.2.1 研究對(duì)象的主要幾何尺寸37
- 2.2.2 研究對(duì)象選取依據(jù)37-39
- 2.2.3 非定常計(jì)算時(shí)動(dòng)靜葉片數(shù)目的選取39-40
- 2.3 數(shù)值模擬方法及求解方案40-47
- 2.3.1 ANSYS CFX的結(jié)構(gòu)40-41
- 2.3.2 控制方程41
- 2.3.3 計(jì)算方法41-42
- 2.3.4 ANSYS CFX中的湍流模型42-43
- 2.3.5 數(shù)值模擬方法的校核43-45
- 2.3.6 數(shù)值模擬網(wǎng)格及網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證45-46
- 2.3.7 本文研究所采用的方案46-47
- 2.4 二次流及其分析方法47-51
- 2.4.1 二次流定義及分析47-48
- 2.4.2 拓?fù)湟?guī)律48-51
- 2.5 氣動(dòng)參數(shù)的處理方法51
- 2.6 本章小結(jié)51-53
- 第3章 跨聲速壓氣機(jī)定常流場(chǎng)與旋渦結(jié)構(gòu)分析53-97
- 3.1 引言53
- 3.2 設(shè)計(jì)工況下流場(chǎng)與旋渦結(jié)構(gòu)53-68
- 3.2.1 靜葉葉片表面和端壁流動(dòng)分析54-58
- 3.2.2 擬S3流面拓?fù)浞治?/span>58-64
- 3.2.3 三維旋渦結(jié)構(gòu)建模及分布64-68
- 3.3 近失速工況下流場(chǎng)與旋渦結(jié)構(gòu)68-79
- 3.3.1 靜葉葉片表面和端壁流動(dòng)分析68-71
- 3.3.2 擬S3流面拓?fù)浞治?/span>71-77
- 3.3.3 三維旋渦結(jié)構(gòu)建模及分布77-79
- 3.4 阻塞工況下流場(chǎng)與旋渦結(jié)構(gòu)79-92
- 3.4.1 靜葉葉片表面和端壁表面流動(dòng)分析79-83
- 3.4.2 擬S3流面拓?fù)浞治?/span>83-90
- 3.4.3 三維旋渦結(jié)構(gòu)建模及分布90-92
- 3.5 流場(chǎng)總奇點(diǎn)數(shù)變化規(guī)律92-95
- 3.6 本章小結(jié)95-97
- 第4章 跨聲速壓氣機(jī)靜葉失速的旋渦拓?fù)浔碚?/span>97-133
- 4.1 引言97
- 4.2 設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)靜葉失速過程的旋渦結(jié)構(gòu)分析97-114
- 4.2.1 靜葉失速過程的壁面流動(dòng)分析98-103
- 4.2.2 靜葉失速過程的擬S3流面拓?fù)浞治?/span>103-109
- 4.2.3 靜葉失速過程的三維旋渦結(jié)構(gòu)分析109-113
- 4.2.4 靜葉失速過程的旋渦結(jié)構(gòu)演化規(guī)律113-114
- 4.3 比轉(zhuǎn)速下壓氣機(jī)靜葉失速工況的旋渦結(jié)構(gòu)分析114-131
- 4.3.1 靜葉失速工況的壁面流動(dòng)分析114-119
- 4.3.2 靜葉失速工況的擬S3流面拓?fù)浞治?/span>119-127
- 4.3.3 靜葉失速工況的三維旋渦結(jié)構(gòu)分析127-131
- 4.4 旋渦結(jié)構(gòu)表征的靜葉失速機(jī)理131-132
- 4.5 本章小結(jié)132-133
- 第5章 非定常因素對(duì)跨聲速壓氣機(jī)靜葉流場(chǎng)與旋渦結(jié)構(gòu)的影響133-173
- 5.1 引言133-134
- 5.2 動(dòng)葉尾跡對(duì)壓氣機(jī)靜葉流場(chǎng)的影響134-142
- 5.2.1 動(dòng)葉尾跡對(duì)下游靜葉的掃掠過程分析134-136
- 5.2.2 動(dòng)葉尾跡對(duì)動(dòng)靜葉交界面氣流角的影響分析136-137
- 5.2.3 動(dòng)葉尾跡對(duì)靜葉葉表靜壓分布的影響137-138
- 5.2.4 動(dòng)葉尾跡對(duì)靜葉表面流場(chǎng)的非定常影響分析138-142
- 5.3 動(dòng)葉葉頂泄漏流動(dòng)對(duì)壓氣機(jī)靜葉流場(chǎng)的影響142-150
- 5.3.1 壓氣機(jī)動(dòng)葉葉頂泄漏流動(dòng)狀態(tài)分析142-145
- 5.3.2 動(dòng)葉葉頂泄漏演化過程分析145-147
- 5.3.3 靜葉入口頂部截面流場(chǎng)分析147-150
- 5.4 激波/附面層對(duì)壓氣機(jī)靜葉流場(chǎng)的影響150-156
- 5.4.1 跨聲速壓氣機(jī)靜葉流道內(nèi)激波與附面層相互作用機(jī)理150-152
- 5.4.2 靜葉表面馬赫數(shù)分布分析152-153
- 5.4.3 靜葉根部區(qū)域激波的時(shí)空演化分析153-156
- 5.5 壓氣機(jī)靜葉三維非定常旋渦結(jié)構(gòu)研究156-172
- 5.5.1 t=0 T時(shí)刻,擬S3流面拓?fù)浞治?/span>156-162
- 5.5.2 不同時(shí)刻,擬S3流面拓?fù)浞治?/span>162-170
- 5.5.3 三維非定常旋渦結(jié)構(gòu)演化機(jī)制170-172
- 5.6 本章小結(jié)172-173
- 結(jié)論173-175
- 參考文獻(xiàn)175-184
- 攻讀學(xué)位期間公開發(fā)表論文184-185
- 致謝185-186
- 作者簡介186
【參考文獻(xiàn)】
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中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條
1 張華良;采用葉片彎/掠及附面層抽吸控制擴(kuò)壓葉柵內(nèi)渦結(jié)構(gòu)的研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2007年
中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條
1 黃t熽，
本文編號(hào)：960996
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