工程分离流动力学(下篇)

1、授课教师授课教师 韩万金韩万金 2008 年年 7 月月- 下篇：间隙尺寸、叶片弯曲和冲下篇：间隙尺寸、叶片弯曲和冲角对涡轮转子叶栅拓扑与旋涡结构的影响角对涡轮转子叶栅拓扑与旋涡结构的影响 第2页采用墨迹法显示壁面流谱。采用墨迹法显示壁面流谱。在上篇理论分析基础上，探讨在上篇理论分析基础上，探讨间隙尺寸间隙尺寸、叶片弯曲叶片弯曲和和气流冲角气流冲角对涡轮转子叶栅壁面与截面流谱的影响，对涡轮转子叶栅壁面与截面流谱的影响，通过拓扑分析，获取相应的拓扑与旋涡结构，从而通过拓扑分析，获取相应的拓扑与旋涡结构，从而阐述上述三个参数的变化对涡轮转子流动特性的影阐述上述三个参数的变化对涡轮转子流动特性的影响

2、。响。 第3页直叶片叶栅直叶片叶栅 正弯叶片叶栅正弯叶片叶栅 反弯叶片叶栅反弯叶片叶栅 第4页a)直叶栅 b)正弯叶栅 c)反弯叶栅 叶片积迭线形状 第5页叶片弦长叶高节距 t=90mm节弦比 t/b=0.763轴向弦长 B=118.5mm展弦比 h/b=0.913前缘圆半径尾缘圆半径叶片几何进气角（从轴向算起） =50叶片几何出气角（从轴向算起） =-63叶片几何折转角 =113叶片数 N=6叶顶间隙 ，2.5mm叶顶相对间隙 ，0.023进口总压叶栅出口叶展中部马赫数 M=0.3基于弦长的雷诺数 Re=8.3105进口边界层厚度120.5bmmmmh110mmR75. 61mmR37. 3

3、2p1p2mm4036. 0/hPaP10730*0mm14表一表一 叶栅的几何与气动参数叶栅的几何与气动参数 第6页图图1 半球及其映像系统草图半球及其映像系统草图 具有顶部间隙叶栅横截面流（或二次流）场中的奇点数目遵循的法则是： 02121）（）（SSNN 第7页= 0.036 = 0.023 图2 上端壁（有间隙侧）壁面流动显示照片 0i 4.1上端壁的流动显示与拓扑结构上端壁的流动显示与拓扑结构 由 图 可 见 ，由 图 可 见 ，在上端壁形成了在上端壁形成了以叶顶前缘双鞍以叶顶前缘双鞍点分离以及围绕点分离以及围绕叶顶吸力边与压叶顶吸力边与压力 边 的 分 离 线力 边 的 分 离 线

4、Ls与再附线与再附线Lr为特征的流谱。为特征的流谱。 依次为直、正弯和反弯叶栅 第8页图图 3 上端壁（有间隙侧）壁面流场拓扑结构（直弯叶栅）上端壁（有间隙侧）壁面流场拓扑结构（直弯叶栅） 0i 在有间隙侧端壁在有间隙侧端壁流场中有鞍点流场中有鞍点3个，附着结点个，附着结点2个，分离螺旋点个，分离螺旋点1个。个。 第9页= 0.036 = 0.023 图图4 直叶片表面与下端壁流动显示照片直叶片表面与下端壁流动显示照片 4.2 下端壁与叶片表面流动显示与拓扑结构下端壁与叶片表面流动显示与拓扑结构 第10页= 0.036 = 0.023 图图5 直叶片表面与下端壁的壁面流动拓扑结构直叶片表面与下

5、端壁的壁面流动拓扑结构 9个鞍点个鞍点4个附着结点个附着结点4个分离结点个分离结点1个分离螺旋点个分离螺旋点 = 0.036 = 0.023 5个鞍点个鞍点2个附着结点个附着结点3个分离结点个分离结点第11页= 0.036 = 0.023 图图6 具有叶顶间隙的涡轮直叶栅壁面流动拓扑结构具有叶顶间隙的涡轮直叶栅壁面流动拓扑结构 12个鞍点个鞍点6个附着结点个附着结点4个分离结点个分离结点2个分离螺旋点个分离螺旋点 8个鞍点个鞍点4个附着结点个附着结点3个分离结点个分离结点1个分离螺旋点个分离螺旋点= 0.036 = 0.023 第12页= 0.036 , 0.023图图7 直叶栅直叶栅30%相

6、对轴向弦长横截面二次流场拓扑结构相对轴向弦长横截面二次流场拓扑结构 4.3 横截面二次流动的拓扑结构横截面二次流动的拓扑结构 在该截面上有在该截面上有2个鞍点，个鞍点，2个半个半鞍点，鞍点，2个附着个附着结点，结点，1个半分个半分离结点和离结点和1个半个半附着结点。附着结点。 第13页0.036=0.023 图图8 直叶栅出口附近横截面二次流场拓扑结构直叶栅出口附近横截面二次流场拓扑结构 鞍点鞍点3 3个，个，结点结点6 6个，个，半鞍点半鞍点9 9个，个，半结点半结点3 3个，个， 0.036=0.023 鞍点鞍点3 3个，个，结点结点4 4个，个，半鞍点半鞍点5 5个，个，半结点半结点3

7、3个，个， 第14页= 0.036 = 0.023 图图9 具叶顶间隙常规直叶栅的旋涡结构具叶顶间隙常规直叶栅的旋涡结构 七个集中涡系：七个集中涡系：1 上端壁压力边马蹄涡上端壁压力边马蹄涡 2上端壁吸上端壁吸力边马蹄涡力边马蹄涡 3 下端壁马蹄涡下端壁马蹄涡4 上通道涡上通道涡 5 下通道涡下通道涡 6 叶顶分叶顶分离涡离涡 7 泄漏涡泄漏涡九大集中涡系：九大集中涡系：1 上端壁压力边马蹄涡上端壁压力边马蹄涡 2上端壁上端壁吸力边马蹄涡吸力边马蹄涡 3 下端壁马蹄涡下端壁马蹄涡 4上通道涡上通道涡 5 下通道涡下通道涡 6 下端壁下端壁吸力边壁角涡吸力边壁角涡 7 叶顶分离涡叶顶分离涡 8

8、叶顶二次涡叶顶二次涡 9泄漏涡泄漏涡= 0.036 = 0.023 较大间隙下较大间隙下较小间隙下较小间隙下第15页奇点类型奇点类型鞍点鞍点附着结点附着结点分离结点分离结点分离螺旋点分离螺旋点总数总数叶片类型叶片类型相对间隙相对间隙直叶栅直叶栅反弯叶栅反弯叶栅=0.0361264224=0.023843116正弯叶栅正弯叶栅=0.0361053220=0.023632112表表1 具叶顶间隙叶栅壁面流动奇点类型、数目简表具叶顶间隙叶栅壁面流动奇点类型、数目简表 如如图图2至至5表示的那样，在两种间隙下，由于泄漏流量主要发生在朝向外端壁的方表示的那样，在两种间隙下，由于泄漏流量主要发生在朝向外端

9、壁的方向，相对间隙的大小并不影响上端壁的壁面流谱，上端壁的壁面流动的拓扑结构基本向，相对间隙的大小并不影响上端壁的壁面流谱，上端壁的壁面流动的拓扑结构基本相同，即了除了奇点的位置略有差别外，奇点的类型、数量及分布大致相同相同，即了除了奇点的位置略有差别外，奇点的类型、数量及分布大致相同。 由由表表1可以看出，在较大间隙下叶栅壁面流动中的奇点数目大于较小间隙。说明较大可以看出，在较大间隙下叶栅壁面流动中的奇点数目大于较小间隙。说明较大间隙叶栅内流场比较小间隙混乱得多，气体绕流较大间隙叶栅必然引起较大的熵增。间隙叶栅内流场比较小间隙混乱得多，气体绕流较大间隙叶栅必然引起较大的熵增。 第16页 奇点

10、类型奇点类型鞍点鞍点结点结点半鞍点半鞍点半结点半结点叶片类型叶片类型相对间隙相对间隙直叶栅直叶栅反弯叶栅反弯叶栅=0.0363693=0.0233453正弯叶栅正弯叶栅=0.0362582=0.0232342表表2 具叶顶间隙叶栅出口附近横截面二次流场奇点类型、数目简表具叶顶间隙叶栅出口附近横截面二次流场奇点类型、数目简表 两种间隙下叶栅出口横截面二次流场中奇点数目亦不相同，较大间隙下的两种间隙下叶栅出口横截面二次流场中奇点数目亦不相同，较大间隙下的奇点数目，特别是位于壁面上的半奇点的数目比较小间隙多奇点数目，特别是位于壁面上的半奇点的数目比较小间隙多50%。Lighthill的三维分离模式表

11、明，壁面上的半奇点愈多，壁面剪切效应愈显著。较大间隙的三维分离模式表明，壁面上的半奇点愈多，壁面剪切效应愈显著。较大间隙叶栅的壁面剪切效应明鲜高于较小间隙，因此较大间隙叶栅壁面附近的摩擦损叶栅的壁面剪切效应明鲜高于较小间隙，因此较大间隙叶栅壁面附近的摩擦损失远高于较小间隙叶栅。失远高于较小间隙叶栅。 第17页= 0.036 = 0.023 图图10 正、反弯叶栅下端壁与叶片壁面流动墨迹显示照片正、反弯叶栅下端壁与叶片壁面流动墨迹显示照片 正弯叶栅正弯叶栅 反弯叶栅反弯叶栅 第18页= 0.036 = 0.023 图图11 正、反弯叶栅下端壁与叶片表面流动拓扑结构正、反弯叶栅下端壁与叶片表面流动

12、拓扑结构 正弯叶栅正弯叶栅 反弯叶栅反弯叶栅 第19页= 0.023 = 0.036 图图12 正弯叶栅接近出口横截面拓扑结构正弯叶栅接近出口横截面拓扑结构 第20页= 0.036 = 0.023 图图13 正、反弯叶栅旋涡结构示意图正、反弯叶栅旋涡结构示意图 正弯叶栅正弯叶栅 反弯叶栅反弯叶栅 第21页 在在 =0.036的条件下，叶片正弯消除了上通道涡分离的条件下，叶片正弯消除了上通道涡分离线，即消除了上通道涡，使得叶栅壁面流场中的奇点总数由线，即消除了上通道涡，使得叶栅壁面流场中的奇点总数由直叶片的直叶片的24个减少至正弯叶片的个减少至正弯叶片的20个，接近出口横截面二次个，接近出口横截

13、面二次流场中的半奇点数由直叶片的流场中的半奇点数由直叶片的12个减少至正弯叶片的个减少至正弯叶片的10个。个。 在在 =0.023的情况下，叶片正弯同样消除了上通道涡分的情况下，叶片正弯同样消除了上通道涡分离线，这时在叶顶仅有二次涡分离线，并且该线起始于非奇离线，这时在叶顶仅有二次涡分离线，并且该线起始于非奇点，叶顶泄漏流动在吸力边的分离为开式分离。类似地，叶点，叶顶泄漏流动在吸力边的分离为开式分离。类似地，叶片正弯导致叶栅壁面流场中奇点总数由直叶片的片正弯导致叶栅壁面流场中奇点总数由直叶片的16个减少至个减少至正弯叶片的正弯叶片的12个，接近出口横截面二次流场中的半奇点总数个，接近出口横截面

14、二次流场中的半奇点总数由直叶片的由直叶片的8个减少至正弯叶片的个减少至正弯叶片的6个。个。 概括地说：概括地说：叶片反弯仅改变奇点发生的位置，奇点的类型叶片反弯仅改变奇点发生的位置，奇点的类型与数目不变，亦即叶栅的拓扑与旋涡结构基本不变。叶片正与数目不变，亦即叶栅的拓扑与旋涡结构基本不变。叶片正弯消除了上通道涡分离线，亦即消除了上通道涡，并减少了弯消除了上通道涡分离线，亦即消除了上通道涡，并减少了叶栅壁面流场中奇点与横截面二次流场中半奇点的数目。叶栅壁面流场中奇点与横截面二次流场中半奇点的数目。 第22页直叶栅直叶栅 正弯叶栅正弯叶栅 反弯叶栅反弯叶栅 图图14 20冲角下上端壁壁面流动显示照

15、片冲角下上端壁壁面流动显示照片 第23页图图15 20冲角下图上端壁拓扑结构冲角下图上端壁拓扑结构 除了奇点的位置、流动分离范围有除了奇点的位置、流动分离范围有差别外，差别外，20冲角下三套叶栅上端冲角下三套叶栅上端壁壁面流谱中的奇点数量和类型与壁壁面流谱中的奇点数量和类型与零冲角下的一致。与零冲角下三套零冲角下的一致。与零冲角下三套叶栅上端壁的拓扑结构比较，在叶栅上端壁的拓扑结构比较，在20冲角下双鞍点冲角下双鞍点 和和 的位置的位置向叶栅上游和流道中部移动，压力向叶栅上游和流道中部移动，压力边与吸力边边与吸力边马蹄涡马蹄涡分离线的两对分分离线的两对分支围绕的区域在垂直与来流的方向支围绕的区

16、域在垂直与来流的方向上扩展，并且该两对分支与环绕吸上扩展，并且该两对分支与环绕吸力边向下游延伸的分离线力边向下游延伸的分离线 的交汇的交汇点要移向上游。叶顶与流道对应的点要移向上游。叶顶与流道对应的上端壁上的极限流线都更趋向与压上端壁上的极限流线都更趋向与压力边和吸力边正交。力边和吸力边正交。 lShSsL第24页图图16 20冲角下直叶栅叶片表面与下端壁流动显示照片冲角下直叶栅叶片表面与下端壁流动显示照片 第25页图图1720冲角下直叶栅叶片表面与下端壁拓扑结构冲角下直叶栅叶片表面与下端壁拓扑结构 第26页图图1820冲角下常规直叶栅旋涡结构冲角下常规直叶栅旋涡结构 第27页 从从图图16-

17、18，可以看出与相同间隙下零冲角直叶栅对比可见，可以看出与相同间隙下零冲角直叶栅对比可见，正冲角引起叶片表面与下端壁流谱发生如下三点变化：正冲角引起叶片表面与下端壁流谱发生如下三点变化：第一第一，下端壁叶片前缘鞍点，下端壁叶片前缘鞍点 向叶栅上游及流道中部移动，下端壁向叶栅上游及流道中部移动，下端壁吸力面附近鞍点吸力面附近鞍点 ，邻近叶顶吸力面上的鞍点，邻近叶顶吸力面上的鞍点 以及叶顶鞍点以及叶顶鞍点 也分别移向上游，这说明下端壁进口马蹄涡、上下通道涡和吸力也分别移向上游，这说明下端壁进口马蹄涡、上下通道涡和吸力面壁角涡以及叶顶分离涡和二次涡均在较上游位置发生，相同轴面壁角涡以及叶顶分离涡和二

18、次涡均在较上游位置发生，相同轴向弦长处旋涡强度增大。向弦长处旋涡强度增大。第二第二，上、下通道涡分离线大约在距前缘，上、下通道涡分离线大约在距前缘75%轴向弦长处相交，旋轴向弦长处相交，旋向相反的上、下通道涡在此位置汇合，发生剧烈的相互作用，涡向相反的上、下通道涡在此位置汇合，发生剧烈的相互作用，涡能耗散损失剧烈增长。对于直叶栅的总流动损失，在零冲角下上能耗散损失剧烈增长。对于直叶栅的总流动损失，在零冲角下上通道涡与泄漏涡相互作用损失在其中占主要比例，而在正冲角下通道涡与泄漏涡相互作用损失在其中占主要比例，而在正冲角下上、下通道涡汇合产生的损失占主要部分。上、下通道涡汇合产生的损失占主要部分。

19、第三，第三，由于上下通道涡分离线的相交，使得直叶栅壁面流场中的奇由于上下通道涡分离线的相交，使得直叶栅壁面流场中的奇点总数由零冲角下的点总数由零冲角下的18个下降至个下降至16个，其中鞍点和分离结点各个，其中鞍点和分离结点各减少减少1个。个。 aSbScSS第28页图图1920冲角下正弯叶栅叶片表面与下端壁流动显示照片冲角下正弯叶栅叶片表面与下端壁流动显示照片 第29页图图2020冲角下正弯叶栅叶片表面与下端壁拓扑结构冲角下正弯叶栅叶片表面与下端壁拓扑结构 第30页图图2120冲角下正弯叶栅旋涡结构冲角下正弯叶栅旋涡结构 20冲角下正弯叶栅叶片表面和冲角下正弯叶栅叶片表面和下端壁壁面流场中的奇

20、点类型和下端壁壁面流场中的奇点类型和数量与零冲角下的正弯叶栅相同，数量与零冲角下的正弯叶栅相同，下端壁叶片前缘鞍点下端壁叶片前缘鞍点 与吸力面与吸力面附近鞍点附近鞍点 发生的位置在本实验发生的位置在本实验的六套叶栅中处于最上游，下端的六套叶栅中处于最上游，下端壁进口马蹄涡与下通道涡亦在叶壁进口马蹄涡与下通道涡亦在叶栅的最上游形成（栅的最上游形成（图图1921）。）。下通道涡在距前缘下通道涡在距前缘30%相对轴向相对轴向弦长处就爬升至大约位于叶展中弦长处就爬升至大约位于叶展中部的零展向压力梯度线附近，并部的零展向压力梯度线附近，并沿该线方向卷吸运动向下游。由沿该线方向卷吸运动向下游。由于叶片正弯

21、消除了上通道涡，叶于叶片正弯消除了上通道涡，叶展中部区域不存在两旋向相反涡展中部区域不存在两旋向相反涡系间的相互作用。系间的相互作用。 aSbS第31页图图2220冲角下反弯叶栅叶片表面与下端壁流动显示照片冲角下反弯叶栅叶片表面与下端壁流动显示照片 第32页图图2320冲角下反弯叶栅叶片表面与下端壁拓扑结构冲角下反弯叶栅叶片表面与下端壁拓扑结构 第33页图图2420冲角下反弯叶栅旋涡结构冲角下反弯叶栅旋涡结构 在在20冲角下反弯叶栅冲角下反弯叶栅下端壁与叶片表面的拓扑下端壁与叶片表面的拓扑结构与直叶栅基本相同，结构与直叶栅基本相同，即奇点的类型与数目相符，即奇点的类型与数目相符，仅奇点发生的位

22、置不同仅奇点发生的位置不同（图图2224）。四个鞍）。四个鞍点点 、 、 和和 位于位于零冲角直叶栅对应鞍点的零冲角直叶栅对应鞍点的上游和上游和20冲角直叶栅对冲角直叶栅对应鞍点的下游。上、下通应鞍点的下游。上、下通道涡在尾缘上游相交，重道涡在尾缘上游相交，重合段长度小于合段长度小于20冲角下冲角下直叶栅。直叶栅。 aSbScSS第34页1对于零冲角常规直叶栅，当其叶顶相对间隙对于零冲角常规直叶栅，当其叶顶相对间隙=0.036时，在时，在栅内形成了由栅内形成了由24个奇点、个奇点、9条分离线构成的拓扑结构以及由条分离线构成的拓扑结构以及由上端壁压力边与吸力边马蹄涡、叶顶压力边分离涡与吸力边上端

23、壁压力边与吸力边马蹄涡、叶顶压力边分离涡与吸力边二次涡、泄漏涡、上下通道涡，下端壁进口边马蹄涡与吸力二次涡、泄漏涡、上下通道涡，下端壁进口边马蹄涡与吸力面壁角涡九大集中涡系构成的旋涡结构；当叶栅的叶顶相对面壁角涡九大集中涡系构成的旋涡结构；当叶栅的叶顶相对间隙下降至间隙下降至=0.023时，栅内壁面流场中奇点和分离线的数时，栅内壁面流场中奇点和分离线的数目分别下降至目分别下降至16个和个和7条，在旋涡结构中没有出现叶顶压力条，在旋涡结构中没有出现叶顶压力边分离涡和下端壁吸力面壁角涡。边分离涡和下端壁吸力面壁角涡。2在冲角为零、叶顶相对间隙为在冲角为零、叶顶相对间隙为0.036或或0.023以及

24、冲角为以及冲角为20、叶顶相对间隙为、叶顶相对间隙为0.036的情况下，叶片正弯均消除了的情况下，叶片正弯均消除了上通道涡，这一方面减少了壁面流场中奇点和分离线的数量，上通道涡，这一方面减少了壁面流场中奇点和分离线的数量，较大地降低了上通道涡与泄漏涡的相互作用损失，另一方面较大地降低了上通道涡与泄漏涡的相互作用损失，另一方面强化了端壁横流对泄漏流动的封堵作用，从而降低了相对漏强化了端壁横流对泄漏流动的封堵作用，从而降低了相对漏气量。气量。第35页3在叶顶间隙为在叶顶间隙为0.036的三套叶栅中，当气流冲角由的三套叶栅中，当气流冲角由0增至增至20 ，与零冲角下的同类叶栅相比较，鞍点，与零冲角下

25、的同类叶栅相比较，鞍点的位置均移向上游，分离区的范围在沿流向和垂直流的位置均移向上游，分离区的范围在沿流向和垂直流向的方向上扩大，上、下通道涡分离线向叶展中部爬向的方向上扩大，上、下通道涡分离线向叶展中部爬升。在常规直叶栅中，上、下通道涡分离线在叶展中升。在常规直叶栅中，上、下通道涡分离线在叶展中部部75%轴向弦长处相交，旋向相反的上、下通道涡汇轴向弦长处相交，旋向相反的上、下通道涡汇合引起流动损失增大；叶片正弯同样消除了上通道涡，合引起流动损失增大；叶片正弯同样消除了上通道涡，因而消除了上、下通道涡在叶展中部区域的相互作用因而消除了上、下通道涡在叶展中部区域的相互作用损失；叶片反弯导致上、下

26、通道涡分离线相交的长度损失；叶片反弯导致上、下通道涡分离线相交的长度小于常规直叶栅。小于常规直叶栅。第36页夏雪湔夏雪湔,邓学蓥，工程分离流动力学，北京航空航天大学出版社，邓学蓥，工程分离流动力学，北京航空航天大学出版社，1991.5吴建民主编吴建民主编 ，陈则霖，吴文正编译，高等空气动力学，北京航空航天大学，陈则霖，吴文正编译，高等空气动力学，北京航空航天大学出版社，出版社，1992王保国王保国 黄虹宾黄虹宾 ，叶轮机械跨声速及亚声速流场的计算方法，叶轮机械跨声速及亚声速流场的计算方法 ，国防工业出，国防工业出版社版社 ，2000.01 刘谋佶等著刘谋佶等著 ，边条翼及旋涡分离流，边条翼及旋

27、涡分离流 ，北京航空学院出版社，北京航空学院出版社，1988.5张涵信，分离流与旋涡运动的结构分析张涵信，分离流与旋涡运动的结构分析 ，国防工业出版社，国防工业出版社， 2005.7杨庆海杨庆海, 黄洪雁黄洪雁, 韩万金韩万金. 有叶顶间隙的涡轮弯叶栅拓扑与旋涡结构有叶顶间隙的涡轮弯叶栅拓扑与旋涡结构()试验模型、端壁与叶片表面拓扑结构试验模型、端壁与叶片表面拓扑结构. 应用数学和力学应用数学和力学. 2002, 23(8): 843-850杨庆海杨庆海, 黄洪雁黄洪雁, 韩万金韩万金. 有叶顶间隙的涡轮弯叶栅拓扑与旋涡结构有叶顶间隙的涡轮弯叶栅拓扑与旋涡结构()横截面流场拓扑结构与叶栅旋涡结

28、构横截面流场拓扑结构与叶栅旋涡结构. 应用数学和力学应用数学和力学. 2002, 23(8): 851-854 黄洪雁黄洪雁, 杨庆海杨庆海, 韩万金韩万金, 王仲奇王仲奇. 大间隙涡轮叶栅流场结构的研究大间隙涡轮叶栅流场结构的研究. 航空动航空动力学报力学报. 2002, 17(4): 392-398第37页Yang Qinghai, Huang Hongyan, Han Wanjin. Topology and Vortex Structures of a Curving Turbine Cascade with Tip Clearance ()Experimental Model and Topological Flow Patterns on Both Endw