超高負荷擴壓葉柵分離結(jié)構(gòu)及其定常與非定常控制研究.pdf

1、航空發(fā)動機對推重比不懈地追求引發(fā)了壓氣機領(lǐng)域的發(fā)展困境，即不斷提升的負荷與不斷加劇的分離流動之間存在著不可調(diào)和的矛盾。如何高效地實現(xiàn)負荷的大幅提升是廣大葉輪機械工作者努力追尋的目標(biāo)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)發(fā)動機氣體動力研究中心獨辟蹊徑，提出了低反動度壓氣機設(shè)計理念。該理念通過增加動葉入口的正預(yù)旋降低反動度以釋放動葉的擴壓需求進而確保動葉能夠高效、大幅地提高總壓升，而總壓升向靜壓升的轉(zhuǎn)變則主要歸結(jié)于基于流動控制的大折轉(zhuǎn)角靜葉柵中。因此該設(shè)計理念打

2、破了傳統(tǒng)的單純依賴于葉柵流道的擴壓模式，所倡導(dǎo)的是一種新的建立在流動控制基礎(chǔ)之上的擴壓過程。上述擴壓理念的轉(zhuǎn)變形成了本文的主要研究內(nèi)容，即對低反動度高負荷擴壓葉柵分離結(jié)構(gòu)的控制研究。
　　在進行分離流動的控制研究之前，本文首先細致分析了低反動度高負荷擴壓葉柵流場的分離結(jié)構(gòu)，具體涵蓋了從二維葉型到三維葉柵、從定常到非定常等不同的研究內(nèi)容。在對低反動度高負荷二維葉柵流場結(jié)構(gòu)的分析過程中發(fā)現(xiàn)，設(shè)計狀態(tài)下的流場中同時存在吸力面分離渦與尾緣

3、脫落渦是其區(qū)別于常規(guī)負荷擴壓葉柵流場的顯著特征。這一特征在二維葉型向三維葉柵過渡的過程中會演繹出怎樣復(fù)雜的流動結(jié)構(gòu)是無法預(yù)測的，為此本文隨后開展了常規(guī)高負荷三維擴壓葉柵流場結(jié)構(gòu)的研究，以期為后續(xù)的低反動度高負荷三維葉柵流場結(jié)構(gòu)分析奠定基礎(chǔ)。研究表明，常規(guī)高負荷三維擴壓葉柵的流場隨著來流沖角的增加將先后經(jīng)歷角區(qū)分離、角區(qū)失速與葉柵失速三種不同的分離形態(tài)。流場中的旋渦結(jié)構(gòu)整體上可以區(qū)分為以馬蹄渦、通道渦、壁角渦為代表的準(zhǔn)柱狀渦系與以吸力面分

4、離渦為代表的層狀渦系。其中馬蹄渦壓力側(cè)分支并非一定會匯入通道渦，而通道渦也并非由馬蹄渦壓力側(cè)分支發(fā)展而來，壁角渦也不是通道渦誘導(dǎo)的產(chǎn)物，通道渦與壁角渦均有著各自相對獨立的促發(fā)機制與發(fā)展過程。吸力面分離渦是一個具有一定厚度并在空間自行封閉的復(fù)雜三維曲面。馬蹄渦、通道渦、壁角渦等準(zhǔn)柱狀渦系結(jié)構(gòu)并非葉柵損失的重要來源，流場的損失分布主要受吸力面分離渦的影響。低反動度高負荷三維葉柵的流場始終處于葉柵失速形態(tài)，流場固有的動力學(xué)不穩(wěn)定特性引發(fā)層狀的

5、吸力面分離渦打破原先的平衡機制，最終演變形成非對稱分離流態(tài)，由此引發(fā)吸力面分離渦在空間尺度上急劇增長并成為主導(dǎo)葉柵流場分離結(jié)構(gòu)與損失分布的關(guān)鍵因素。
　　在明晰了具體分離結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本文隨后在低反動度高負荷擴壓葉柵中開展了附面層定常吹/吸氣控制分離流動的研究。研究顯示，在低反動度高負荷擴壓葉柵中成功實現(xiàn)分離流動控制的關(guān)鍵在于對吸力面分離渦的有效控制，流動控制的成功施加伴隨著流場由葉柵失速形態(tài)突變至角區(qū)失速或角區(qū)分離形態(tài)的過程。附

6、面層定常吹氣通過射流攜帶的高動量流體與附面層內(nèi)部的低能流體之間的動量交換調(diào)節(jié)附面層的發(fā)展并形成新的分布形態(tài)，這一過程具有顯著的矢量特性，因此射流角度對控制效果有著決定性影響。附面層定常吸氣通過對附面層內(nèi)部低能流體的吸除以延緩附面層的發(fā)展并提升其抵抗逆壓梯度的能力，附面層定常吸氣的控制效果對抽吸位置、抽吸流量較為敏感，整個控制過程的變工況適應(yīng)能力較差。
　　為了彌補定常流動控制技術(shù)的不足，將一典型的非定常流動控制技術(shù)合成射流引入低反

7、動度高負荷擴壓葉柵中進行分離流動的控制。研究表明，合成射流在通過與附面層內(nèi)部低能流體的動量交換實現(xiàn)對附面層積極調(diào)控的同時，其自身的非定常激勵過程引入的波渦作用能夠進一步有效離散大尺度吸力面分離渦并促發(fā)離散后的旋渦卷繞、脫落，由此形成了對流場分離結(jié)構(gòu)的進一步調(diào)節(jié)，顯著提升了流動控制的效果。
　　在對附面層定常吸氣與合成射流兩類技術(shù)深入總結(jié)分析的基礎(chǔ)上，提出了附面層非定常振蕩抽吸的概念，并在低反動度高負荷擴壓葉柵與常規(guī)高負荷擴壓葉柵中