脈沖射流抑制大擴壓度壓氣機流動分離的機理及方法研究.pdf

1、推重比是現(xiàn)代高性能航空發(fā)動機的重要指標(biāo)，為實現(xiàn)高推重這一目標(biāo)，作為發(fā)動機核心部件的壓氣機必須提高其級壓比。在不顯著提高轉(zhuǎn)動線速度的情況下，增大級壓比的需求使得葉輪設(shè)計中引入流場控制技術(shù)來削弱壓氣機在高負荷下的氣流分離成為當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的重點。本文基于壓氣機內(nèi)流動特征，提出了一種新型無源引氣微脈沖射流控制的概念，并針對脈沖射流抑制大擴壓度壓氣機流動分離的機理及方法展開了研究，主要有以下幾方面工作：
　　1、基于非定常分離流動特性及脈沖

2、射流控制特點，建立了相應(yīng)的非線性動力學(xué)模型，引入了最大Lyapunov指數(shù)進行總體控制效果分析，完成了非線性模型的有效性驗證，分析得到了直接依靠流場實驗及數(shù)值模擬難以得到的非定常激勵對分離流內(nèi)在的作用機制，為深入研究非定常分離流控制技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)。結(jié)果表明當(dāng)激勵頻率為系統(tǒng)主頻的半倍頻、一倍頻、二倍頻及三倍頻狀態(tài)下，最大Lyapunov指數(shù)出現(xiàn)明顯的下降，系統(tǒng)由混沌狀態(tài)向不穩(wěn)定的周期軌道或穩(wěn)定的周期軌道進行了轉(zhuǎn)變，最佳激勵頻率與系統(tǒng)主

3、頻相當(dāng)；在有效非定?？刂茽顟B(tài)下，流場內(nèi)絕大部分流體質(zhì)點運動趨向于平直流動模式，非定常流場與外部激勵信號表現(xiàn)了較為明顯的自同步現(xiàn)象；隨著激勵強度的增加，流場內(nèi)被有效控制的流體質(zhì)點比例逐漸增加，宏觀狀態(tài)下表現(xiàn)為流場更為有序。
　　2、結(jié)合引氣微脈沖射流控制技術(shù)，考慮實際工程應(yīng)用，構(gòu)建了三種壓電陶瓷驅(qū)動式脈沖射流器；選擇了一種結(jié)構(gòu)形式設(shè)計加工了原理型脈沖射流器，分析了高頻狀態(tài)下存在瞬時出口總壓低于進口總壓現(xiàn)象的物理機制，探索了不同轉(zhuǎn)速及

4、壓力狀態(tài)下射流器出口速度波形特點，提出了脈沖射流控制的強度鎖定效應(yīng)，總結(jié)了高頻微脈沖射流器流動特征規(guī)律。
　　3、基于自建的仿葉柵通道試驗臺，試驗測得了通道內(nèi)平均壓力及壓力波動特性的分布，其中設(shè)計狀態(tài)下通道內(nèi)分離渦主頻約為266Hz，對應(yīng)的斯特勞哈爾數(shù)≈0.18。此外針對非定常分離流動結(jié)構(gòu)復(fù)雜、信息量巨大而導(dǎo)致直接分析難以把握其流動規(guī)律的困難，引入了本征正交分解(POD)方法用于非定常流場分析，完成了非定常流場的時空解耦。其中PO

5、D分解對應(yīng)的一階模態(tài)反映了平均流特性，二階及其余各階模態(tài)均反映不同時空尺度的流動渦系結(jié)構(gòu)，實際流動可視為各階模態(tài)以一定權(quán)重在時空域中的組合，基于POD解耦的流場時空結(jié)構(gòu)將有助于把握復(fù)雜的非定常分離流動特征。
　　4、采用試驗及數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，對比分析了典型控制狀態(tài)下射流頻率對通道內(nèi)分離渦的影響規(guī)律，運用POD方法以模態(tài)的方式分析了脈沖射流對通道內(nèi)分離渦的作用機制。研究表明當(dāng)射流頻率接近通道內(nèi)分離渦主頻時控制效果最為明顯。非定

6、常控制方式基于流場內(nèi)渦系結(jié)構(gòu)的非線性作用，重分配各階模態(tài)之間的能量，有選擇性的強化或削弱某階模態(tài)；定常射流控制則是整體削弱高階模態(tài)，壓制通道內(nèi)復(fù)雜流動現(xiàn)象，整體線性地改變通道內(nèi)流場特性。合理的構(gòu)建脈沖射流可使能量從高階模態(tài)向平均流模態(tài)進行轉(zhuǎn)移，能量的轉(zhuǎn)移通過空間流場結(jié)構(gòu)的重構(gòu)和模態(tài)時間演化特性的序化實現(xiàn)。
　　5、開展了不同位置、角度及強度狀態(tài)下脈沖射流控制效果的分析，其中分離點位置對應(yīng)著最佳射流位置，隨著射流位置逐漸遠離分離點，

7、射流控制效果逐漸減弱，最佳射流位置的各階模態(tài)能量均向平均流模態(tài)進行轉(zhuǎn)移，脈沖射流控制效果最為明顯；在本文研究的角度范圍內(nèi)，最佳射流角度為15°，此時脈沖射流對葉片表面低速區(qū)的穿透效應(yīng)及對前端低速區(qū)的推動作用處于最佳耦合狀態(tài)；在合適的脈沖射流強度下，一定頻率范圍內(nèi)的脈沖射流均能使得通道內(nèi)流場結(jié)構(gòu)離開無控狀態(tài)周期軌道，進而穩(wěn)定在由脈沖射流決定的新的周期軌道上，流場與脈沖射流相互耦合達到時空同步。
　　6、基于平面葉柵實驗平臺開展了無源