本文關(guān)鍵詞：低壓渦輪葉片表面邊界層流動特性研究

  更多相關(guān)文章： 低壓渦輪 低雷諾數(shù) 邊界層轉(zhuǎn)捩 周期性尾跡 流動控制

【摘要】：低壓渦輪在航空發(fā)動機中占有重要地位,其效率的高低直接影響著整個發(fā)動機的性能。隨著航空發(fā)動機性能的不斷提高,對低壓渦輪提出了更高的要求,為此發(fā)展高負荷低壓渦輪葉片,提高葉片效率成為了當今航空發(fā)動機發(fā)展的必要趨勢。由于低壓渦輪工作雷諾數(shù)較低,隨著葉片負荷的增加,葉片表面邊界層極易發(fā)生分離、轉(zhuǎn)捩及再附著等現(xiàn)象,從而會導致葉片效率降低,進而使得整個發(fā)動機性能惡化。為此對低壓渦輪葉片表面邊界層的流動特性研究具有非常重要的意義。本文首先研究了定常來流條件下來流湍動度、來流攻角及雷諾數(shù)對現(xiàn)有的T106A葉片表面邊界層發(fā)展轉(zhuǎn)捩過程的影響,通過研究發(fā)現(xiàn)來流湍動度是影響邊界層流動特性的重要參數(shù)。當來流湍動度高于4%時,葉片表面邊界層主要發(fā)生自然轉(zhuǎn)捩或者旁路轉(zhuǎn)捩過程過程并不會產(chǎn)生邊界層分離現(xiàn)象,當來流湍動度低于3%時邊界層主要發(fā)生分離轉(zhuǎn)捩過程并且會產(chǎn)生明顯的邊界層分離現(xiàn)象。來流攻角則主要影響葉片前緣邊界層流動特性,而雷諾數(shù)則會顯著的影響葉片尾部區(qū)吸力側(cè)邊界層的流動特性,當流動雷諾數(shù)低于26000,邊界層會發(fā)生嚴重的開式分離,會極大的降低了葉片效率。在周期性尾跡的非常來流條件下,研究了尾跡在葉柵流道中的整個輸運過程,分析了尾跡在輸運過程中形狀變化及再定向過程。通過分析葉片尾部吸力側(cè)邊界層區(qū)域的流線、渦量及速度大小等參數(shù)隨著時間的變化情況,可以認為在葉片尾部區(qū)域吸力側(cè)的分離泡會隨著尾跡的向下游移動周期性的產(chǎn)生與消失。通過刻畫三個尾跡掃掠周期中的吸力側(cè)邊界層的位移厚度、動量厚度及形狀因子等參數(shù)的時空變化云圖來分析了尾跡對邊界層的影響過程,并認為尾跡之后的寂靜區(qū)的“Calming”效應對抑制邊界層的分離起到了重要的作用。運用了耗散函數(shù)來分析了葉柵流道中局部損失分布規(guī)律,并發(fā)現(xiàn)在葉片前緣近壁區(qū)、葉片尾部吸力側(cè)分離區(qū)與主流交界處及葉柵尾跡區(qū)域都存在有很大的速度梯度,屬于高能量耗散區(qū)域,而分離泡內(nèi)的回流區(qū)的速度梯度相對較小,僅為低速流體的聚集區(qū),而非能量損失的來源。在不同雷諾數(shù)下研究了尾跡抑制邊界層分離的作用機理,發(fā)現(xiàn)流動雷諾數(shù)越低,尾跡對葉片性能提升效果越明顯,當流動雷諾數(shù)為26000時,葉片時均效率較無尾跡時提高了1.1%,極大的提高了葉片工作性能的穩(wěn)定性。尾跡對邊界層的抑制機理為高負荷葉片的設(shè)計提供了重要的參考。本文還研究了渦流發(fā)生器對邊界層的流動控制機理,通過設(shè)計了三種不同振幅、不同波數(shù)及不同位置的渦流發(fā)生器來研究對葉片吸力側(cè)邊界層的控制效果。最終研究表明渦流發(fā)生器可以加速邊界層的轉(zhuǎn)捩過程,通過渦流發(fā)生器中的旋渦的卷吸作用將主流中的高能流體注入到邊界層內(nèi)部,從而提升了邊界層流體的動量,極大的抑制住了邊界層的分離。并且還發(fā)現(xiàn)渦流發(fā)生器的振幅變化對控制邊界層的效果最為明顯。在較高流動雷諾數(shù)條件下,渦流發(fā)生器會增加葉片流動損失,降低葉片效率,而在較低流動雷諾數(shù)條件下,渦流發(fā)生器則會減少吸力側(cè)分離泡大小,較為明顯的提升葉片效率。
【關(guān)鍵詞】：低壓渦輪 低雷諾數(shù) 邊界層轉(zhuǎn)捩 周期性尾跡 流動控制
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V231
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-34
• 1.1 研究背景及意義11-12
• 1.2 低壓渦輪的特點12-18
• 1.3 定常流動18-26
• 1.3.1 邊界層的轉(zhuǎn)捩18-24
• 1.3.2 湍流斑24-26
• 1.4 非定常流動26-31
• 1.4.1 尾跡與邊界層之間的相互關(guān)系26-29
• 1.4.2 尾跡在低壓渦輪通道內(nèi)的輸運特性29-30
• 1.4.3 尾跡誘導邊界層轉(zhuǎn)捩30-31
• 1.5 邊界層的流動控制31-32
• 1.5.4 主動控制31
• 1.5.5 被動控制31-32
• 1.6 本文研究的主要內(nèi)容和目的32-34
• 第2章 數(shù)值方法及實驗驗證34-53
• 2.1 引言34
• 2.2 湍流模型34-37
• 2.2.1 一方程模型34
• 2.2.2 兩方程模型34-36
• 2.2.3 SST模型36-37
• 2.3 轉(zhuǎn)捩模型37-43
• 2.3.1 γ-θ 轉(zhuǎn)捩模型38-41
• 2.3.2 一方程 γ 轉(zhuǎn)捩模型41-43
• 2.4 數(shù)值驗證及轉(zhuǎn)捩模型選擇43-51
• 2.4.1 平板數(shù)值模擬43-46
• 2.4.2 T106A葉片數(shù)值模擬驗證46-51
• 2.5 本章小結(jié)51-53
• 第3章 定常來流下T106A葉片表面流動特性研究53-65
• 3.1 引言53
• 3.2 不同湍動度下的T106A葉片邊界層流動特性分析53-58
• 3.2.1 不同湍動度數(shù)值模擬方案53
• 3.2.2 不同湍動度數(shù)值模擬結(jié)果分析53-58
• 3.3 不同攻角下的T106A葉片邊界層流動特性分析58-61
• 3.3.1 不同攻角數(shù)值模擬方案58-59
• 3.3.2 不同攻角數(shù)值模擬結(jié)果分析59-61
• 3.4 不同雷諾數(shù)下的T106A葉片邊界層流動特性分析61-63
• 3.4.1 不同流動雷諾數(shù)數(shù)值模擬方案61
• 3.4.2 不同流動雷諾數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果分析61-63
• 3.5 本章小結(jié)63-65
• 第4章 非定常尾跡下邊界層流動特性研究65-113
• 4.1 引言65-66
• 4.2 非定常尾跡條件下的研究方法66-69
• 4.2.1 幾何模型網(wǎng)格劃分66-67
• 4.2.2 邊界條件設(shè)置67-69
• 4.3 實驗工況條件下尾跡作用下葉片邊界層流動分析69-97
• 4.3.1 尾跡在葉柵流道中的輸運過程69-75
• 4.3.2 尾跡對吸力側(cè)擴壓段局部流場的影響75-80
• 4.3.3 尾跡干擾下葉片吸力側(cè)邊界層內(nèi)流動定量分析80-94
• 4.3.4 尾跡對葉柵流道內(nèi)流動損失的影響94-97
• 4.4 不同雷諾數(shù)下尾跡對吸力側(cè)邊界層內(nèi)流動的影響97-110
• 4.4.1 定常與非定常模擬時均化結(jié)果比較97-102
• 4.4.2 葉片尾部區(qū)邊界層流場參數(shù)演化102-110
• 4.5 本章小結(jié)110-113
• 第5章 基于旋渦擾動的邊界層流動控制機理研究113-142
• 5.1 引言113
• 5.2 葉片幾何模型、網(wǎng)格劃分、網(wǎng)格無關(guān)性驗證113-116
• 5.3 不同渦流發(fā)生器葉柵流道內(nèi)流動特性分析116-140
• 5.3.1 振幅A對葉片邊界層流動特性分析117-126
• 5.3.2 波數(shù)N對葉片邊界層流動特性分析126-133
• 5.3.3 位置L對葉片邊界層流動特性分析133-140
• 5.4 本章小結(jié)140-142
• 結(jié)論142-145
• 參考文獻145-153
• 致謝153

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