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    研究人員在低雷諾數下壓氣機葉片邊界層流動及調控機理等方面取得進展
    發稿時間:2021-06-10         作者:王名揚、陽誠武、盧新根、趙勝豐          來源:輕型動力實驗室     【字號:

      航空發動機高空巡航飛行時,壓氣機部件進口雷諾數(Re)迅速降低,導致葉片表面層流區迅速擴展。隨著葉片負荷不斷提高,壓氣機葉片表面極易發生層流分離,隨后觸發轉捩。大量研究結果表明,低Re下壓氣機葉片表面層流分離及轉捩過程會造成葉型損失急劇增大,嚴重制約了壓縮系統效率和穩定裕度提升,同時也會惡化發動機部件匹配特性。 

      為了進一步提升高空低Re下壓氣機氣動性能,工程熱物理所研究人員采用高精度大渦模擬(LES)數值計算和精細化實驗測量手段,研究了低Re下高負荷壓氣機葉片邊界層分離、轉捩流動及損失機理。針對某典型高負荷壓氣機葉片,分析了不同Re下分離剪切層內部復雜渦系結構的時空演化過程,建立了渦動力學過程與湍流脈動水平之間的關聯(圖1);基于變形功的概念,量化了粘性耗散和湍流耗散對損失的影響,闡釋了分離剪切層轉捩過程損失機理;發展了一套高精度的葉型參數化方法,獲得了一系列具有不同負荷水平和負荷分布的壓氣機葉型,明晰了負荷分布對分離剪切層轉捩過程的調控機理,歸納總結了適用于低Re流動條件的壓氣機葉型設計方法(圖2)。 

      在上述工作基礎上,研究人員嘗試利用真實粗糙度和壁面換熱對低Re下高負荷壓氣機葉片邊界層分離、轉捩過程進行調控。發展了一種考慮真實壓氣機葉片粗糙度的三維通用幾何參數化建模方法,詳細對比分析了不同粗糙度大小和分布下分離泡形態、湍流脈動水平和葉型損失大小,揭示了真實粗糙度下葉片近壁區域流向條帶生成及失穩機制(圖3);闡明了流向條帶與展向渦的非定常干涉過程,澄清了真實粗糙度對壓氣機葉片分離剪切層轉捩過程的調控機理(圖4)。進一步將非絕熱壁面假設引入到高負荷壓氣機葉片邊界層轉捩調控中,對比了不同壁面換熱條件下渦系結構時空演化過程及對應的湍流脈動(損失)水平(圖5),明晰了壁面換熱對轉捩過程的雙重調控機制。研究結果表明,上述兩種方法均能有效調控壓氣機葉片邊界層分離、轉捩過程,有效提升高空低Re下壓氣機葉片的氣動特性。 

      以上研究得到航空發動機及燃氣輪機國家科技重大專項基礎研究(2017-II-0010-0024)和國家自然科學基金重點項目(51836008)支持。研究成果在Physics of Fluids,Aerospace science and TechnologyChinese Journal of Aeronautics等本領域權威期刊上發表。論文“不同雷諾數條件下粗糙度對高亞音速壓氣機葉型邊界層調控機制研究”獲2019年中國工程熱物理學會熱機氣動熱力學和流體機械學術會議“最佳論文獎”;論文“Large eddy simulation of the separated flow transition on the suction surface of a high subsonic compressor airfoil”被選為Physics of Fluids 期刊Editor's Pick(代表特定領域內具有高科學價值的工作)。 

     

            (a) 展向渦瞬態結構                  b)近壁面流體“上噴-下掃” 

       1 轉捩過程中復雜渦系時空演化過程 

     

       2 不同壓力梯度分布下損失對比 

     

       3 粗糙度作用下近壁區域流向條帶結構
      

       4 流向條帶對展向渦時空演化過程的影響
      

       5 不同壁面換熱條件下葉片近壁面雷諾切應力分布

       

     
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