高負(fù)荷壓氣機(jī)葉柵端壁抽吸位置對(duì)角區(qū)流動(dòng)影響的數(shù)值模擬

高負(fù)荷壓氣機(jī)葉柵端壁抽吸位置對(duì)角區(qū)流動(dòng)影響的數(shù)值模擬

1葉柵流動(dòng)模擬的研究在現(xiàn)代飛機(jī)的動(dòng)態(tài)動(dòng)力中，壓氣機(jī)作為主要部件一直是制約航空飛機(jī)性能的主要瓶頸之一。由于壓力梯度和三相效應(yīng)的強(qiáng)烈反射，在壓氣機(jī)中的分離運(yùn)動(dòng)不可避免，因此設(shè)計(jì)更合邏輯的壓氣機(jī)存在許多困難。附面層抽吸技術(shù)通過在附面層發(fā)展的合適位置通過開設(shè)抽吸槽/孔,吸除上游積累的高熵氣流,達(dá)到延緩或者消除分離的目的。與傳統(tǒng)的通過幾何邊界改變提高壓氣機(jī)負(fù)荷相比,抽吸技術(shù)可以在大幅提高葉片負(fù)荷的同時(shí)使得葉柵損失保持在較低的水平,壓氣機(jī)效率有較大提高,其穩(wěn)定工作范圍增加,因而得到了研究人員的廣泛關(guān)注,并進(jìn)行了一些研究工作。對(duì)于實(shí)際葉輪機(jī)械而言,靠近機(jī)匣附近的角區(qū)往往是流動(dòng)分離的高發(fā)區(qū),一旦分離出現(xiàn),風(fēng)扇/壓氣機(jī)效率、穩(wěn)定工作裕度降低,進(jìn)而影響機(jī)組運(yùn)行安全。鑒于此現(xiàn)象,研究人員進(jìn)行了大量的研究,并取得了一些研究結(jié)果。如:俞茂錚以汽輪機(jī)為研究對(duì)象,采用端壁邊界層抽吸的方法抑制葉柵二次流,指出葉柵吸力面附近的抽吸較柵前及通道中部的抽吸縫更能有效地改進(jìn)葉柵的氣動(dòng)性能;季路成等人針對(duì)葉輪機(jī)最大負(fù)荷設(shè)計(jì)問題,提出了角區(qū)流動(dòng)的等效二維附面層模型,用于角區(qū)流動(dòng)分離預(yù)測(cè),并給出了風(fēng)扇、壓氣機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)吸力面與端壁二面角的設(shè)計(jì)規(guī)律;吳艷輝等人為了研究間隙流動(dòng)對(duì)壓氣機(jī)的影響,針對(duì)直葉柵移動(dòng)壁效應(yīng),分析了移動(dòng)壁對(duì)角區(qū)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響。理論分析表明:通過端壁附面層抽吸改善壓氣機(jī)角區(qū)流動(dòng),也是角區(qū)流動(dòng)的有效控制方法之一。本文正是在這種背景下,以某高負(fù)荷壓氣機(jī)葉柵為研究對(duì)象,應(yīng)用數(shù)值模擬方法探索了葉柵端壁不同位置抽吸對(duì)其性能以及角區(qū)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。2抽吸縫網(wǎng)格設(shè)置計(jì)算中選取某壓氣機(jī)葉柵為研究對(duì)象,該葉柵的幾何參數(shù)分別為:安裝角19.6°,幾何進(jìn)/出氣角分別為40.7°/-7.6°,幾何弦長(zhǎng)71mm,柵距37.5mm,葉柵高度160mm,對(duì)其來流攻角為0°,馬赫數(shù)0.95工況時(shí)三維葉柵流動(dòng)實(shí)施端部抽吸,縫隙基本情況如下:縫位置分別位于距離葉片前緣5%C上游處(記A縫)以及距離前緣25%C下游葉柵通道處(記B縫),沿柵距方向全通道開設(shè)寬度為1mm,高度5mm抽吸縫,并且僅在上端壁開縫抽吸,下端壁不抽吸,而主流區(qū)50%葉高截面基本不受端壁附面層的影響,通過上下近端壁流動(dòng)參數(shù)的對(duì)比即可看到抽吸對(duì)端壁附面層的影響。計(jì)算網(wǎng)格應(yīng)用IGG_TM在主流區(qū)生成H-I型代數(shù)網(wǎng)格,分布形式為65(柵距方向)×97(葉高方向)×165(流動(dòng)方向),縫隙網(wǎng)格采用H型網(wǎng)格分布形式為65(柵距方向)×9(縫高方向)×9(縫寬方向),網(wǎng)格總數(shù)約105萬。不同的抽吸位置縫隙內(nèi)部網(wǎng)格分布形式相同,并且采用相同主流場(chǎng)的計(jì)算網(wǎng)格,應(yīng)用非匹配連接技術(shù)(FUL-NOMatching)生成將主流場(chǎng)網(wǎng)格與縫隙網(wǎng)格連接起來。圖1給出了本文在端部開槽的兩個(gè)位置示意圖,圖2為抽吸縫A附近網(wǎng)格示意圖。計(jì)算方面,應(yīng)用FINE模塊結(jié)合S-A模型求解直角坐標(biāo)系下N-S方程進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算,空間離散采用中心差分格式,時(shí)間項(xiàng)采用4階Runge-Kutta方法迭代求解,CFL數(shù)取3.0,同時(shí)采用隱式殘差光順方法以及多重網(wǎng)格技術(shù)以加速收斂過程。計(jì)算時(shí)葉柵進(jìn)口給定總溫、總壓以及氣流角方向,出口給定靜壓,在抽細(xì)縫出口給定靜壓,計(jì)算得到抽吸流量,在實(shí)施抽吸過程中,抽吸會(huì)使得葉柵來流馬赫數(shù)發(fā)生改變,通過調(diào)整進(jìn)口總壓來滿足馬赫數(shù)為設(shè)計(jì)狀態(tài)。3計(jì)算結(jié)果表明的討論應(yīng)用上述方法,對(duì)所研究的葉柵在兩個(gè)不同位置抽吸,進(jìn)行了抽吸控制角區(qū)流動(dòng)發(fā)展的數(shù)值模擬,獲取了抽吸前后葉柵性能以及流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。3.1葉柵底部部截面損失a圖3給出了距離葉柵前緣上游5%C的A縫抽吸時(shí),典型截面葉片吸力面等熵馬赫數(shù)分布,從圖中可以看到:在根部1.5%葉高處(無抽吸)由于端壁附面層的拖拽作用,其馬赫數(shù)峰值位置相對(duì)于中部截面向上游移動(dòng),并且其后的壓力梯度也較小,在上端部由于前緣的抽吸作用,葉表等熵馬赫數(shù)分布與根部截面有較大差異,在葉片大部分表面可能產(chǎn)生分離流動(dòng),端部損失增大,分析認(rèn)為由于上游端壁抽吸作用,雖然吸除了壁面堆積的高熵氣流,但可能使得上端壁附近來流攻角發(fā)生較大改變,增強(qiáng)了葉柵進(jìn)口截面二次流,從而使得上端部截面損失有所增加。圖4給出了葉柵總壓恢復(fù)系數(shù)沿葉高分布曲線,從圖中來看上端部的分離流動(dòng)影響區(qū)域已經(jīng)占到葉高40%左右。端部流動(dòng)分離必然導(dǎo)致葉柵落后角必然增大,從圖5可以明顯的看到抽吸使得葉柵上端部截面落后角比根部要大5°左右。為了清楚的看到葉柵上游端壁抽吸對(duì)葉柵流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響,圖6給出了該抽吸條件下葉片吸力面流動(dòng)拓?fù)?從圖中可以看出:由于前緣上游位置的抽吸,近上端壁區(qū)域相對(duì)于根部區(qū)域的流動(dòng)更早發(fā)生分離,并且分離幾乎占據(jù)了整個(gè)端部吸力表面,靠近上端壁的葉片表面分離線向上游漂移,流動(dòng)惡化。圖7給出了該抽吸條件下葉柵通道三個(gè)典型位置的S3面流動(dòng)拓?fù)?從圖中可以明顯看出上、下端壁附近通道渦形成和破碎過程的差異:在45%C處根部附近已經(jīng)形成了明顯的漩渦,而在上端部由于抽吸使得葉片表面產(chǎn)生較大的分離區(qū),此分離受到葉片表面以及葉柵端壁的共同作用,在靠近吸力面的角區(qū)形成較強(qiáng)的分離渦。由于上、下端壁生成的漩渦形式不同,二者的發(fā)展過程也有所區(qū)別,當(dāng)流動(dòng)至60%C處的S3面時(shí),葉柵近上端由于受到葉片表面壓力梯度的影響,通道渦已經(jīng)生成,該漩渦與靠近角區(qū)分離渦相互影響,促使流動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步惡化,影響范圍也逐步增大,隨著流體向下游流動(dòng),兩個(gè)漩渦繼續(xù)摻混最終形成一個(gè)強(qiáng)的通道渦流出葉柵通道,對(duì)于根部截面而言,通道渦雖然也受到葉片表面附面層的干擾影響,由于其分離相對(duì)不強(qiáng),與根部的通道渦摻混較弱,使得其發(fā)展速度相對(duì)緩慢,影響區(qū)域相對(duì)較小,這說明在葉柵前緣上游抽吸雖然延遲了通道渦的形成,但卻改變了該截面葉柵來流攻角,使得葉片表面嚴(yán)重分離,分離流與通道渦相互影響,發(fā)展壯大,導(dǎo)致葉柵損失增加。3.2葉柵內(nèi)部公車抽吸對(duì)葉柵形態(tài)的影響圖8給出了距離前緣25%C下游上端壁抽吸時(shí),典型截面葉片吸力面等熵馬赫數(shù)分布曲線,從圖中可以看到:對(duì)比根部1.5%葉高葉片吸力面壓力分布,端部抽吸后使得98.5%葉高截面馬赫數(shù)峰值有所降低,峰值點(diǎn)位置后移,實(shí)際上對(duì)于圖中顯示的三個(gè)截面的吸力面馬赫數(shù)而言,壓力峰值點(diǎn)以前都是超聲速流動(dòng),因此可以說抽吸使得近端壁區(qū)激波位置向下游漂移,激波強(qiáng)度增大。圖9給出了葉柵總壓恢復(fù)系數(shù)沿葉高分布曲線,從圖中看到:由于上端壁抽吸吸除了上游堆積的低能高熵氣流,抽吸相對(duì)于根部而言端部25%C抽吸使得其總壓恢復(fù)系數(shù)略有提高,其分布形式也不再是上下對(duì)稱結(jié)構(gòu)了,在靠近上端壁約90%葉高處,雖然受到近端壁區(qū)域以及靠近葉片中部的主流區(qū)域高速氣流的提拉作用,但還是形成了一個(gè)總壓恢復(fù)系數(shù)較低的區(qū)域,分析認(rèn)為是由于抽吸雖然改善了上端部分離流動(dòng),但未能完全消除分離,端部分離的逆向氣流與主流的順向氣流之間形成了強(qiáng)烈的速度梯度,導(dǎo)致?lián)p失增大。圖10給出了該抽吸條件下對(duì)應(yīng)的葉柵出口氣流角沿葉高分布,從圖中不難發(fā)現(xiàn):根部20%葉高以下由于沒有吸除來自上游的高熵氣流,葉柵落后角明顯大于端部的落后角,而端部與葉柵主流區(qū)的落后角基本上一致。圖11給出了葉片吸力表面流動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),從圖中可以看到,由于端部的抽吸,使得葉片表面流體再附線位置向下游漂移,端壁附面層的抽吸影響到其附近20%葉高范圍內(nèi)的流動(dòng),上端壁的通道渦發(fā)展得到了一定程度的延緩,在無抽吸的根部截面,由于附面層內(nèi)低速、低能氣體不足以克服吸、壓力面的壓力差,端部處橫向流動(dòng)明顯,使得流體向吸力面偏移,會(huì)過早的形成了明顯的通道渦,導(dǎo)致?lián)p失增大,落后角增加,并且該位置葉片表面的前緣附近還形成了明顯的分離區(qū),這些現(xiàn)象在有抽吸作用的上端部截面是不存在的,在上端壁附近,抽吸加速了附面層內(nèi)部的流動(dòng),使得其足以克服吸、壓力面的壓差而順暢的流出葉柵通道,但可能是由于抽吸的作用使得端部截面激波后移,激波強(qiáng)度增大,導(dǎo)致葉片尾緣流動(dòng)分離。圖12給出了葉柵通道三個(gè)典型位置的S3面流動(dòng)拓?fù)?圖中顯示了上下端壁附近通道渦形成和破碎過程的差異:由于抽吸的影響,使得上端壁通道渦推遲形成,在45%C處葉柵根部附近已經(jīng)形成了明顯的漩渦,而在上端部在靠近吸力面的角區(qū)分離才開始出現(xiàn),由于受到不同端壁效應(yīng)的影響,二者的發(fā)展過程也不同,當(dāng)流動(dòng)至60%C處的S3面時(shí),上端部分離流已經(jīng)形成較明顯的漩渦,但對(duì)于根部而言,通道渦已經(jīng)發(fā)展壯大其影響范圍占整個(gè)葉高約20%,直至葉柵尾緣附近的75%C處,通道渦在上端部的強(qiáng)度和影響范圍始終小于根部,這說明對(duì)于端部抽吸,對(duì)于控制葉柵通道渦的形成和發(fā)展是一種有效的措施,可以延遲通道渦的生成,減小通道渦的影響范圍,降低通道渦強(qiáng)度,減少葉柵損失。4葉柵通道道配激波后葉片部分分離本文應(yīng)用數(shù)值模擬方法,通過在葉柵端壁不同位置開設(shè)抽吸縫吸除端壁附面層,探索控制角區(qū)分離的可行方法,通過本文的研究可以得出如下結(jié)論:(1)在葉柵前緣上游位置實(shí)施抽吸,雖然可以延緩?fù)ǖ罍u的形成,但增強(qiáng)了葉柵進(jìn)口二次流、導(dǎo)致葉柵來流攻角發(fā)生改變,端部葉片表面流動(dòng)出現(xiàn)較大分離,在角區(qū)形成角區(qū)分離渦,并且該漩渦與通道渦相互促進(jìn),進(jìn)一