本文關(guān)鍵詞：軸流壓氣機(jī)角區(qū)分離流動(dòng)損失機(jī)理及流動(dòng)控制策略研究

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【摘要】：作為壓氣機(jī)內(nèi)部一種特有的流動(dòng)失穩(wěn)現(xiàn)象,三維角區(qū)分離是未來高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)高負(fù)荷壓氣機(jī)設(shè)計(jì)中最重要的影響因素之一,從而制約著壓氣機(jī)性能的進(jìn)一步提高。為了提高對(duì)三維角區(qū)分離現(xiàn)象流動(dòng)機(jī)理及相關(guān)流動(dòng)損失控制技術(shù)的認(rèn)識(shí)水平,本文圍繞航空軸流壓氣機(jī)中三維角區(qū)分離現(xiàn)象,開展了壓氣機(jī)三維角區(qū)分離現(xiàn)象的物理機(jī)理、三維角區(qū)分離形成過程中所存在的邊界層流動(dòng)轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象流動(dòng)物理機(jī)制和三維角區(qū)分離流動(dòng)控制技術(shù)等三個(gè)方面的研究工作。論文的主要研究工作和貢獻(xiàn)如下:(1)高性能壓氣機(jī)葉片三維角區(qū)分離現(xiàn)象的物理機(jī)理研究。本文對(duì)壓氣機(jī)三維角區(qū)分離現(xiàn)象的形成發(fā)展機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)值模擬研究,對(duì)壓氣機(jī)葉柵通道端壁二次流結(jié)構(gòu)進(jìn)行了更為完善的拓?fù)浞治?揭示了壓氣機(jī)三維角區(qū)分離的形成機(jī)制:壓氣機(jī)葉片前緣渦系結(jié)構(gòu)來源于來流邊界層的分層現(xiàn)象;集中脫落渦來源于前緣角渦吸力面分支;前緣馬蹄渦吸力面分支和相鄰葉片的壓力面分支在葉片通道中匯合,并卷吸來流端壁邊界層從而形成通道馬蹄渦;通道馬蹄渦在通道渦的橫向壓力梯度的作用下,向葉片吸力面尾緣/端壁所在角區(qū)堆積、并卷吸角區(qū)回流,就形成了壓氣機(jī)葉柵三維角區(qū)分離。其中,角區(qū)回流與通道馬蹄渦作用所形成的三維角區(qū)分離起始渦,是影響三維角區(qū)分離現(xiàn)象發(fā)生、發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)因素。(2)論文分析了影響三維角區(qū)分離形成發(fā)展的各種因素,發(fā)現(xiàn)前緣馬蹄渦向通道馬蹄渦衍化的過程是形成三維角區(qū)分離的直觀因素,而葉片通道中的逆壓梯度和橫向壓力梯度則是產(chǎn)生三維角區(qū)分離現(xiàn)象的根本原因;基于此,論文發(fā)展完善了判別三維角區(qū)分離/失速大小的新判據(jù),并分析了來流攻角和進(jìn)口邊界層厚度對(duì)三維角區(qū)分離新判據(jù)的影響規(guī)律。(3)論文首次深入地探索研究了壓氣機(jī)三維角區(qū)分離過程中邊界層存在的三種流動(dòng)轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象:葉片吸力面層流-湍流分離轉(zhuǎn)捩、旁路轉(zhuǎn)捩和逆轉(zhuǎn)捩,揭示了三種邊界層轉(zhuǎn)捩機(jī)制對(duì)壓氣機(jī)三維角區(qū)分離發(fā)生、發(fā)展的影響機(jī)理:逆轉(zhuǎn)捩的發(fā)生決定著三維角區(qū)分離起始的位置;雖然分離轉(zhuǎn)捩和旁路轉(zhuǎn)捩會(huì)影響到三維角區(qū)的發(fā)展和徑向范圍,但是,就其本質(zhì)而言,這兩種轉(zhuǎn)捩的存在與否,并不影響三維角區(qū)分離/失速的發(fā)生。通過對(duì)轉(zhuǎn)捩模型、來流湍流度水平和湍流長(zhǎng)度尺度的研究,論文總結(jié)分析了各參數(shù)對(duì)于邊界層轉(zhuǎn)捩數(shù)值預(yù)測(cè)的影響和對(duì)三維角區(qū)分離的影響規(guī)律,歸納出了可以指導(dǎo)高性能壓氣機(jī)葉片流動(dòng)控制的相關(guān)結(jié)論。(4)論文對(duì)高性能壓氣機(jī)葉片三維角區(qū)分離現(xiàn)象的流動(dòng)控制方案進(jìn)行了系統(tǒng)的數(shù)值模擬研究,分別研究了端壁單槽吸氣法的軸向、周向開槽位置、吸氣流量率、吸氣槽大小,端壁分段吸氣法吸氣槽位置設(shè)計(jì)和吸氣流量率,葉片吸力面吸氣法軸向開槽位置、吸氣槽長(zhǎng)寬比和吸氣流量率,以及端壁角區(qū)開槽射流法射流角和射流流量率對(duì)三維角區(qū)分離的控制規(guī)律,給出了可以指導(dǎo)工程應(yīng)用的、更加完善的流動(dòng)控制方案參數(shù)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則�；诖�,論文對(duì)四種流動(dòng)控制方案控制效果和控制機(jī)理進(jìn)行了對(duì)比,得到了適于本文壓氣機(jī)三維角區(qū)分離及其損失抑制的最佳流動(dòng)控制方案:端壁單槽MTE吸氣和吸力面SS3吸氣。在此基礎(chǔ)上,論文對(duì)最優(yōu)流動(dòng)控制方案——端壁單槽吸氣MTE進(jìn)行了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究,論證了針對(duì)流動(dòng)控制技術(shù)的數(shù)值模擬方法的可靠性;對(duì)正負(fù)攻角下壓氣機(jī)葉柵性能參數(shù)隨MTE吸氣的變化規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,分析了真實(shí)實(shí)驗(yàn)條件下MTE吸氣槽對(duì)壓氣機(jī)葉柵角區(qū)流動(dòng)的改善和對(duì)壓氣機(jī)葉柵氣動(dòng)性能的提升。
【關(guān)鍵詞】：壓氣機(jī)三維角區(qū)分離 邊界層轉(zhuǎn)捩 端壁單槽吸氣 端壁分段吸氣 吸力面邊界層吸氣 端壁角區(qū)射流 MTE吸氣槽
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：V233
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第一章 緒論12-48
• 1.1 研究工作背景12-14
• 1.1.1 高負(fù)荷壓氣機(jī)是未來高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要發(fā)展方向12-13
• 1.1.2 角區(qū)分離是高負(fù)荷壓氣機(jī)內(nèi)部特有的一種重要流動(dòng)現(xiàn)象13
• 1.1.3 壓氣機(jī)三維角區(qū)分離現(xiàn)象帶來的危害13-14
• 1.2 壓氣機(jī)三維角區(qū)分離/失速物理機(jī)制研究評(píng)述14-28
• 1.2.1 壓氣機(jī)三維角區(qū)分離流動(dòng)物理機(jī)制研究進(jìn)展14-16
• 1.2.2 壓氣機(jī)三維角區(qū)分離/失速流動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展16-25
• 1.2.3 壓氣機(jī)三維角區(qū)分離對(duì)旋轉(zhuǎn)失速影響的研究進(jìn)展25-26
• 1.2.4 壓氣機(jī)三維角區(qū)分離/失速影響因素研究進(jìn)展26-28
• 1.3 壓氣機(jī)三維角區(qū)分離/失速相關(guān)經(jīng)驗(yàn)判據(jù)研究評(píng)述28-38
• 1.3.1 de Haller數(shù)DH29-30
• 1.3.2 Lieblein的擴(kuò)散因子DF30-31
• 1.3.3 Lei的擴(kuò)散系數(shù)D和失速指數(shù)S31-34
• 1.3.4 Yu的失速指數(shù)Sw和修正耗散因子Dm34-36
• 1.3.5 Gbadebo的相對(duì)位移厚度36-37
• 1.3.6 Dring的堵塞因子K和Khalid的阻塞因子Z37-38
• 1.4 壓氣機(jī)三維角區(qū)分離/失速控制技術(shù)研究進(jìn)展38-44
• 1.4.1 邊界層吸氣39-41
• 1.4.2 邊界層吹氣（射流）41-44
• 1.5 本文的研究工作44-48
• 1.5.1 研究目的44-45
• 1.5.2 論文內(nèi)容及組織結(jié)構(gòu)45-48
• 第二章 數(shù)值模擬與葉柵實(shí)驗(yàn)方法48-68
• 2.1 引言48-50
• 2.1.1 葉輪機(jī)內(nèi)流研究方法的發(fā)展48
• 2.1.2 軸流壓氣機(jī)流動(dòng)數(shù)值模擬方法概述48-50
• 2.2 湍流大渦模擬方法50-52
• 2.2.1 湍流場(chǎng)Navier-Stokes方程50-51
• 2.2.2 大渦模擬控制方程51
• 2.2.3 亞格子應(yīng)力模型——WALE模型51-52
• 2.3 耦合轉(zhuǎn)捩模型的非定常雷諾平均（URANS）方法52-63
• 2.3.1 URANS方法控制方程52-53
• 2.3.2 湍流模型53-59
• 2.3.3 轉(zhuǎn)捩模型59-63
• 2.4 壓氣機(jī)葉柵實(shí)驗(yàn)方法63-64
• 2.4.1 高亞音速壓氣機(jī)靜子葉柵實(shí)驗(yàn)風(fēng)洞63
• 2.4.2 葉柵實(shí)驗(yàn)段和測(cè)試方案63-64
• 2.5 數(shù)據(jù)分析方法64-66
• 2.6 本章小結(jié)66-68
• 第三章 壓氣機(jī)葉柵三維角區(qū)分離流動(dòng)機(jī)理研究68-98
• 3.1 RANS方法數(shù)值模型68-70
• 3.1.1 研究對(duì)象68
• 3.1.2 算例設(shè)置68-69
• 3.1.3 計(jì)算域、網(wǎng)格及邊界條件設(shè)置69
• 3.1.4 求解設(shè)置69-70
• 3.2 壓氣機(jī)葉柵角區(qū)分離機(jī)理的數(shù)值及實(shí)驗(yàn)研究70-82
• 3.2.1 壓氣機(jī)葉柵氣動(dòng)性能的數(shù)值與實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果對(duì)比70-72
• 3.2.2 壓氣機(jī)葉柵通道端壁二次流結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬研究72-79
• 3.2.3 壓氣機(jī)葉柵通道端壁二次流結(jié)構(gòu)拓?fù)?/span>79-81
• 3.2.4 壓氣機(jī)葉柵三維角區(qū)分離流動(dòng)結(jié)構(gòu)分析81-82
• 3.3 進(jìn)口邊界層厚度影響的數(shù)值模擬研究82-87
• 3.3.1 進(jìn)口邊界層厚度的選取82-83
• 3.3.2 進(jìn)口邊界層厚度變化對(duì)角區(qū)分離的影響83-85
• 3.3.3 進(jìn)口邊界層厚度變化對(duì)葉柵氣動(dòng)損失的影響85-87
• 3.4 來流攻角影響的數(shù)值模擬研究87-91
• 3.4.1 來流攻角變化對(duì)葉柵氣動(dòng)性能的影響87-88
• 3.4.2 來流攻角變化對(duì)角區(qū)分離的影響88-89
• 3.4.3 來流攻角變化對(duì)于葉柵出口氣動(dòng)損失的影響89-91
• 3.5 壓氣機(jī)三維角區(qū)分離/失速判據(jù)的發(fā)展完善91-96
• 3.5.1 壓氣機(jī)三維角區(qū)分離/失速新判據(jù)91-94
• 3.5.2 三維角區(qū)分離/失速判據(jù)的討論分析94-96
• 3.6 本章小結(jié)96-98
• 第四章 壓氣機(jī)葉柵三維角區(qū)邊界層流動(dòng)轉(zhuǎn)捩機(jī)制數(shù)值模擬研究98-114
• 4.1 LES方法數(shù)值模型98-99
• 4.1.1 研究對(duì)象、計(jì)算域與計(jì)算網(wǎng)格98
• 4.1.2 邊界條件設(shè)置98-99
• 4.1.3 求解設(shè)置99
• 4.2 基于LES方法的壓氣機(jī)葉柵三維角區(qū)邊界層轉(zhuǎn)捩機(jī)制研究99-104
• 4.2.1 葉片表面邊界層流動(dòng)轉(zhuǎn)捩特征數(shù)值分析及與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比99-101
• 4.2.2 三種轉(zhuǎn)捩機(jī)制對(duì)三維角區(qū)分離的影響101-103
• 4.2.3 三種轉(zhuǎn)捩機(jī)制的頻譜特性103-104
• 4.3 基于耦合轉(zhuǎn)捩模型RANS方法的壓氣機(jī)三維角區(qū)邊界層轉(zhuǎn)捩機(jī)制研究104-106
• 4.3.1 轉(zhuǎn)捩模型的選取104-105
• 4.3.2 壓氣機(jī)三維角區(qū)邊界層轉(zhuǎn)捩過程的數(shù)值分析105-106
• 4.3.3 壓氣機(jī)三維角區(qū)邊界層轉(zhuǎn)捩對(duì)葉柵氣動(dòng)性能的影響106
• 4.4 來流湍流度水平對(duì)邊界層轉(zhuǎn)捩及三維角區(qū)分離的數(shù)值預(yù)測(cè)影響106-109
• 4.4.1 來流湍流度參數(shù)設(shè)置106-107
• 4.4.2 來流湍流度水平對(duì)邊界層轉(zhuǎn)捩及角區(qū)分離預(yù)測(cè)影響107-108
• 4.4.3 來流湍流度水平對(duì)葉柵氣動(dòng)損失預(yù)測(cè)影響108-109
• 4.5 湍流長(zhǎng)度尺度對(duì)邊界層轉(zhuǎn)捩及三維角區(qū)分離的數(shù)值預(yù)測(cè)影響109-112
• 4.5.1 湍流長(zhǎng)度尺度研究參數(shù)設(shè)置109-110
• 4.5.2 湍流長(zhǎng)度尺度對(duì)邊界層轉(zhuǎn)捩與角區(qū)分離的預(yù)測(cè)影響110-111
• 4.5.3 湍流長(zhǎng)度尺度對(duì)葉柵氣動(dòng)損失的預(yù)測(cè)影響111-112
• 4.6 本章小結(jié)112-114
• 第五章 壓氣機(jī)葉柵角區(qū)分離流動(dòng)控制數(shù)值模擬研究114-162
• 5.1 端壁單槽吸氣114-132
• 5.1.1 端壁單槽吸氣軸向位置研究114-119
• 5.1.2 端壁單槽吸氣周向位置研究119-123
• 5.1.3 端壁吸氣槽尺寸研究123-129
• 5.1.4 吸氣流量率研究129-132
• 5.2 端壁分段吸氣132-136
• 5.2.1 分段吸氣槽位置設(shè)計(jì)132-133
• 5.2.2 分段吸氣槽數(shù)值模擬方法133
• 5.2.3 端壁邊界層分段吸氣對(duì)壓氣機(jī)葉柵氣動(dòng)性能的影響133-134
• 5.2.4 端壁邊界層分段吸氣對(duì)三維角區(qū)分離的控制效果134-136
• 5.3 葉片吸力面邊界層吸氣136-149
• 5.3.1 吸力面吸氣槽軸向開槽位置研究137-141
• 5.3.2 吸力面邊界層吸氣槽長(zhǎng)寬比研究141-145
• 5.3.3 吸力面邊界層吸氣流量率研究145-149
• 5.4 端壁角區(qū)射流149-156
• 5.4.1 端壁角區(qū)射流數(shù)值模擬方法149
• 5.4.2 端壁角區(qū)射流角研究149-152
• 5.4.3 端壁角區(qū)射流流量率研究152-156
• 5.5 四種流動(dòng)控制措施效果對(duì)比156-159
• 5.5.1 參與對(duì)比的流動(dòng)控制方案選擇156-157
• 5.5.2 各方案對(duì)葉柵氣動(dòng)性能的影響對(duì)比157
• 5.5.3 各方案對(duì)三維角區(qū)分離的控制效果對(duì)比157-159
• 5.6 本章小結(jié)159-162
• 第六章 壓氣機(jī)葉柵角區(qū)分離流動(dòng)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究162-172
• 6.1 基于端壁單槽吸氣法的壓氣機(jī)葉柵實(shí)驗(yàn)設(shè)置162
• 6.2 設(shè)計(jì)狀態(tài)下MTE吸氣槽吸氣流量率對(duì)于壓氣機(jī)葉柵性能的影響162-166
• 6.2.1 設(shè)計(jì)狀態(tài)下MTE吸氣流量率變化對(duì)葉柵性能影響的數(shù)值與實(shí)驗(yàn)對(duì)比162-163
• 6.2.2 采用MTE吸氣的壓氣機(jī)葉柵性能參數(shù)變化的校正方法163-165
• 6.2.3 設(shè)計(jì)狀態(tài)下MTE吸氣槽對(duì)壓氣機(jī)葉柵出口當(dāng)?shù)貧鈩?dòng)損失的影響165-166
• 6.3 MTE吸氣槽對(duì)壓氣機(jī)攻角特性的影響166-170
• 6.3.1 MTE吸氣槽對(duì)壓氣機(jī)攻角特性影響趨勢(shì)166-167
• 6.3.2 來流正攻角時(shí)MTE吸氣槽對(duì)壓氣機(jī)葉柵氣動(dòng)性能的影響167-169
• 6.3.3 來流負(fù)攻角時(shí)MTE吸氣槽對(duì)壓氣機(jī)葉柵氣動(dòng)性能的影響169-170
• 6.4 本章小結(jié)170-172
• 第七章 研究總結(jié)和展望172-178
• 7.1 主要研究結(jié)論172-176
• 7.2 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)176-177
• 7.3 研究展望177-178
• 參考文獻(xiàn)178-188
• 致謝188-190
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文190-191

，

本文編號(hào)：935441