工程分离流动力学下篇

工程分离流动力学下篇1第一页，共三十四页，2022年，8月28日采用墨迹法显示壁面流谱。在上篇理论分析基础上，探讨间隙尺寸、叶片弯曲和气流冲角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，从而阐述上述三个参数的变化对涡轮转子流动特性的影响。1、引言2第二页，共三十四页，2022年，8月28日2.实验叶栅模型直叶片叶栅

正弯叶片叶栅

反弯叶片叶栅

3第三页，共三十四页，2022年，8月28日a)直叶栅b)正弯叶栅c)反弯叶栅

叶片积迭线形状

4第四页，共三十四页，2022年，8月28日叶片弦长叶高节距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=8.3×105进口边界层厚度表一叶栅的几何与气动参数

5第五页，共三十四页，2022年，8月28日图1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：3、具有叶顶间隙叶栅流谱分析的拓扑法则

6第六页，共三十四页，2022年，8月28日4、名义冲角下，间隙尺寸对拓扑与旋涡结构的影响

=0.036=0.023图2上端壁（有间隙侧）壁面流动显示照片

4.1上端壁的流动显示与拓扑结构

由图可见，在上端壁形成了以叶顶前缘双鞍点分离以及围绕叶顶吸力边与压力边的分离线Ls与再附线Lr为特征的流谱。

依次为直、正弯和反弯叶栅

7第七页，共三十四页，2022年，8月28日图3上端壁（有间隙侧）壁面流场拓扑结构（直弯叶栅）

在有间隙侧端壁流场中有鞍点3个，附着结点2个，分离螺旋点1个。8第八页，共三十四页，2022年，8月28日=0.036=0.023图4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9第九页，共三十四页，2022年，8月28日=0.036=0.023图5直叶片表面与下端壁的壁面流动拓扑结构

9个鞍点4个附着结点4个分离结点1个分离螺旋点

=0.036=0.0235个鞍点2个附着结点3个分离结点10第十页，共三十四页，2022年，8月28日=0.036=0.023图6具有叶顶间隙的涡轮直叶栅壁面流动拓扑结构

12个鞍点6个附着结点4个分离结点2个分离螺旋点

8个鞍点4个附着结点3个分离结点1个分离螺旋点=0.036=0.02311第十一页，共三十四页，2022年，8月28日=0.036,0.023图7直叶栅30%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在该截面上有2个鞍点，2个半鞍点，2个附着结点，1个半分离结点和1个半附着结点。

12第十二页，共三十四页，2022年，8月28日=0.023图8直叶栅出口附近横截面二次流场拓扑结构

鞍点3个，结点6个，半鞍点9个，半结点3个，

=0.023鞍点3个，结点4个，半鞍点5个，半结点3个，

13第十三页，共三十四页，2022年，8月28日4.4旋涡结构的推测=0.036=0.023图9具叶顶间隙常规直叶栅的旋涡结构

七个集中涡系：1上端壁压力边马蹄涡2上端壁吸力边马蹄涡3下端壁马蹄涡4上通道涡5下通道涡6叶顶分离涡7泄漏涡九大集中涡系：1上端壁压力边马蹄涡2上端壁吸力边马蹄涡3下端壁马蹄涡4上通道涡5下通道涡6下端壁吸力边壁角涡7叶顶分离涡8叶顶二次涡9泄漏涡=0.036=0.023较大间隙下较小间隙下14第十四页，共三十四页，2022年，8月28日4.5间隙尺寸对奇点类型与数量的影响奇点类型鞍点附着结点分离结点分离螺旋点总数叶片类型相对间隙直叶栅反弯叶栅=0.0361264224=0.023843116正弯叶栅=0.0361053220=0.023632112表1具叶顶间隙叶栅壁面流动奇点类型、数目简表

如图2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。

由表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。15第十五页，共三十四页，2022年，8月28日

奇点类型鞍点结点半鞍点半结点叶片类型相对间隙直叶栅反弯叶栅=0.0363693=0.0233453正弯叶栅=0.0362582=0.0232342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

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50%。Lighthill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失远高于较小间隙叶栅。16第十六页，共三十四页，2022年，8月28日5叶片弯曲对拓扑与旋涡结构的影响=0.036=0.023图10正、反弯叶栅下端壁与叶片壁面流动墨迹显示照片

正弯叶栅反弯叶栅17第十七页，共三十四页，2022年，8月28日=0.036=0.023图11正、反弯叶栅下端壁与叶片表面流动拓扑结构

正弯叶栅反弯叶栅18第十八页，共三十四页，2022年，8月28日=0.023=0.036图12正弯叶栅接近出口横截面拓扑结构19第十九页，共三十四页，2022年，8月28日=0.036=0.023图13正、反弯叶栅旋涡结构示意图正弯叶栅

反弯叶栅

20第二十页，共三十四页，2022年，8月28日

在=0.036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直叶片的24个减少至正弯叶片的20个，接近出口横截面二次流场中的半奇点数由直叶片的12个减少至正弯叶片的10个。在=0.023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16个减少至正弯叶片的12个，接近出口横截面二次流场中的半奇点总数由直叶片的8个减少至正弯叶片的6个。

概括地说：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。21第二十一页，共三十四页，2022年，8月28日直叶栅

正弯叶栅

反弯叶栅

图14冲角下上端壁壁面流动显示照片

6气流冲角对拓扑与旋涡结构的影响22第二十二页，共三十四页，2022年，8月28日图15

冲角下图上端壁拓扑结构

除了奇点的位置、流动分离范围有差别外，20°冲角下三套叶栅上端壁壁面流谱中的奇点数量和类型与零冲角下的一致。与零冲角下三套叶栅上端壁的拓扑结构比较，在20°冲角下双鞍点和的位置向叶栅上游和流道中部移动，压力边与吸力边马蹄涡分离线的两对分支围绕的区域在垂直与来流的方向上扩展，并且该两对分支与环绕吸力边向下游延伸的分离线的交汇点要移向上游。叶顶与流道对应的上端壁上的极限流线都更趋向与压力边和吸力边正交。

23第二十三页，共三十四页，2022年，8月28日图16

冲角下直叶栅叶片表面与下端壁流动显示照片

24第二十四页，共三十四页，2022年，8月28日图17冲角下直叶栅叶片表面与下端壁拓扑结构

25第二十五页，共三十四页，2022年，8月28日图18冲角下常规直叶栅旋涡结构

26第二十六页，共三十四页，2022年，8月28日

从图16-18，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：第一，下端壁叶片前缘鞍点向叶栅上游及流道中部移动，下端壁吸力面附近鞍点，邻近叶顶吸力面上的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，相同轴向弦长处旋涡强度增大。第二，上、下通道涡分离线大约在距前缘75%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，而在正冲角下上、下通道涡汇合产生的损失占主要部分。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点总数由零冲角下的18个下降至16个，其中鞍点和分离结点各减少1个。27第二十七页，共三十四页，2022年，8月28日图19冲角下正弯叶栅叶片表面与下端壁流动显示照片

28第二十八页，共三十四页，2022年，8月28日图20冲角下正弯叶栅叶片表面与下端壁拓扑结构

29第二十九页，共三十四页，2022年，8月28日图21冲角下正弯叶栅旋涡结构

20°冲角下正弯叶栅叶片表面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，下端壁叶片前缘鞍点与吸力面附近鞍点发生的位置在本实验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栅的最上游形成（图19~21）。下通道涡在距前缘30%相对轴向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，并沿该线方向卷吸运动向下游。由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系间的相互作用。

30第三十页，共三十四页，2022年，8月28日图22冲角下反弯叶栅叶片表面与下端壁流动显示照片

31第三十一页，共三十四页，2022年，8月28日图23冲角下反弯叶栅叶片表面与下端壁拓扑结构

32第三十二页，共三十四页，2022年，8月28日图24冲角下反弯叶栅旋涡结构

在20°冲角下反弯叶栅下端壁与叶片表面的拓扑结构与直叶栅基本相同，即奇点的类型与数目相符，仅奇点发生的位置不同（图22~24）。四个鞍点、、和位于零冲角直叶栅对应鞍点的上游和20°冲角直叶栅对应鞍点的下游。上、下通道涡在尾缘上游相交，重合段长度小于20°冲角下直叶栅。33第三十三页，共三十四页，2022年，8月28日7小结1．对于零冲角常规直叶栅，当其叶顶相对间隙=0.036时，在栅内形成了由24个奇点、9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二次涡、泄漏涡、上下通道涡，下端壁进口边马蹄涡