總壓畸變對跨聲速風扇流場結構影響的全流道數(shù)值模擬.pdf

1、回顧燃氣渦輪發(fā)動機問世以來近60年的發(fā)展歷史，在二十世紀六十年代中期主要重視的是發(fā)動機性能的好壞，追求高的性能指標，而對進氣畸變的影響未引起足夠的重視。這種情況在早期的亞音速、小機動飛行條件下是可以的。但隨著飛機飛行速度、高度的不斷提高，機動性的不斷增加，以及導彈武器的使用，畸變的影響越來越突出，實踐中暴露出來的問題也越來越嚴重。進入21世紀，飛機發(fā)動機向著非常規(guī)機動性和超音速機動性的方向發(fā)展。葉輪機械無一例外必須在非均勻進口條件下工作

2、。這就使得壓氣機的效率和壓比比均勻進氣條件有所降低，更重要的是進口氣流的不均勻會加劇內(nèi)部流場的非定?，F(xiàn)象，從而使壓氣機氣動穩(wěn)定性下降，使之提前失速。因此，深入的研究進口氣流參數(shù)的非均勻性和內(nèi)部流場的非定常性對進一步提高葉輪機械的性能有著非常重要的意義。
　　本文以某型跨音風扇作為研究對象，首先對原型風扇設計工況數(shù)值模擬結果與實驗結果進行了對比與分析。在本文計算條件下，三維非定常數(shù)值模擬得到的風扇效率曲線在趨勢上與實驗曲線匹配的較好

3、。數(shù)值模擬結果在最高效率點附近與實驗值最接近。計算工況越接近喘振點，數(shù)值模擬的誤差越大。湍流模型的誤差和較大的數(shù)值粘性是造成偏差的主要原因。對數(shù)值模擬與實驗結果的進一步驗證表明，本文使用的數(shù)值模擬方法可以滿足定性研究風扇流場的要求。
　　通過研究不同畸變度和畸變角時總壓畸變對風扇流場進出口參數(shù)的影響，較系統(tǒng)的給出了多種畸變條件下總壓畸變經(jīng)風扇的傳遞情況，并詳細分析了畸變流場對風扇進出口參數(shù)的影響。分析表明：周向總壓畸變使進口流場參

4、數(shù)分布發(fā)生改變：在畸變與非畸變區(qū)的交界處有周向側流產(chǎn)生，使進口的靜壓、氣流軸向速度、氣流角變得不均勻，從而改變了風扇的進口流場。總壓畸變經(jīng)風扇傳遞的同時引起總溫畸變。通過對多種進口畸變條件下的風扇流場進行求解，提出刻畫畸變區(qū)內(nèi)轉子旋轉的“四階段”模型。即動葉旋轉一周主要經(jīng)歷進入畸變區(qū)、畸變區(qū)內(nèi)運動、退出畸變區(qū)、非畸變區(qū)運動四個階段。動葉在各階段中受畸變流場的影響完全不同。
　　畸變度和畸變角較大時，進口總壓畸變對風扇流場的影響顯著

5、。本文采用更細致的網(wǎng)格對畸變度0.1，單畸變區(qū)90進口條件下的風扇流場進行o了三維數(shù)值模擬。給出均勻和進口畸變條件下風扇的特性曲線。選取最高效率點作為研究對象，詳細分析了進口畸變對風扇內(nèi)部流場的影響。分析發(fā)現(xiàn)，進口總壓畸變使風扇性能明顯下降?；兞鲌鰧尤~和靜葉的影響沿徑向存在很大差異。根部區(qū)域，動葉損失小，而靜葉損失大。頂部則相反。不同周向位置畸變流場對動葉的影響不同。對于動葉，文中對不同周向位置、不同葉高處動葉內(nèi)的流場進行了分析，給

6、出相對畸變區(qū)不同周向位置處動葉內(nèi)流場的變化規(guī)律。尤其對葉頂附近激波結構、強度、位置的變化進行了詳細的分析。對于靜葉，文中重點分析了畸變區(qū)內(nèi)靜葉的流場。結果表明，靜葉根部存在大范圍的分離，使畸變區(qū)內(nèi)的靜葉流道產(chǎn)生嚴重堵塞。從而影響到相鄰葉柵內(nèi)的流動狀況，使流道內(nèi)產(chǎn)生較強的激波。
　　證實了動葉對不均勻流場的響應存在一定滯后：動葉在旋轉過程中，當進口條件發(fā)生變化時，上游流體在動葉內(nèi)傳遞需要一定時間才能影響到整個流道。最高損失點并不是在

7、畸變區(qū)內(nèi)，而是在動葉離開畸變區(qū)向遠畸變區(qū)運動的過程中。相應的，轉子最高效率（低損失）位置并不在遠畸變區(qū)，而是位于動葉再次進入畸變區(qū)的位置。
　　在原型的基礎上構造了五種不同的靜葉彎葉片方案對風扇流場進行求解。結果顯示，靜葉彎曲能有效提高抗畸變能力。在同樣畸變度條件下，靜葉采用彎葉片可以提高效率，可以提高風扇的流動穩(wěn)定性。但是彎曲方式不同對風扇流場的改善方式也存在差異：靜葉根部彎曲對動葉和靜葉流場都有改善作用；兩端彎曲對動葉的改善作

8、用較大。本文將靜葉彎曲對畸變流場的影響分為兩個方向：一是大幅改善動葉流場，靜葉柵效率卻有所下降或改變不大；二是動葉效率改變不大，而對靜葉流場的改善程度較大。流場的周向不均勻使畸變區(qū)靜葉流道內(nèi)產(chǎn)生嚴重分離。利用正彎葉柵產(chǎn)生的徑向壓力梯度，可以增加畸變區(qū)內(nèi)靜葉根部和中徑區(qū)域的密流，從而在一定程度上抑制或減小分離的范圍，能夠改善畸變區(qū)內(nèi)靜葉以及上游動葉流場。但是靜葉彎葉片的使用具有兩面性。研究發(fā)現(xiàn)，兩端大彎角的靜葉能夠較大程度提高動葉效率，使