高负荷压气机叶栅端壁抽吸位置对角区流动影响的数值模拟

高负荷压气机叶栅端壁抽吸位置对角区流动影响的数值模拟

1叶栅流动模拟的研究在现代飞机的动态动力中，压气机作为主要部件一直是制约航空飞机性能的主要瓶颈之一。由于压力梯度和三相效应的强烈反射，在压气机中的分离运动不可避免，因此设计更合逻辑的压气机存在许多困难。附面层抽吸技术通过在附面层发展的合适位置通过开设抽吸槽/孔,吸除上游积累的高熵气流,达到延缓或者消除分离的目的。与传统的通过几何边界改变提高压气机负荷相比,抽吸技术可以在大幅提高叶片负荷的同时使得叶栅损失保持在较低的水平,压气机效率有较大提高,其稳定工作范围增加,因而得到了研究人员的广泛关注,并进行了一些研究工作。对于实际叶轮机械而言,靠近机匣附近的角区往往是流动分离的高发区,一旦分离出现,风扇/压气机效率、稳定工作裕度降低,进而影响机组运行安全。鉴于此现象,研究人员进行了大量的研究,并取得了一些研究结果。如:俞茂铮以汽轮机为研究对象,采用端壁边界层抽吸的方法抑制叶栅二次流,指出叶栅吸力面附近的抽吸较栅前及通道中部的抽吸缝更能有效地改进叶栅的气动性能;季路成等人针对叶轮机最大负荷设计问题,提出了角区流动的等效二维附面层模型,用于角区流动分离预测,并给出了风扇、压气机设计时吸力面与端壁二面角的设计规律;吴艳辉等人为了研究间隙流动对压气机的影响,针对直叶栅移动壁效应,分析了移动壁对角区流动结构的影响。理论分析表明:通过端壁附面层抽吸改善压气机角区流动,也是角区流动的有效控制方法之一。本文正是在这种背景下,以某高负荷压气机叶栅为研究对象,应用数值模拟方法探索了叶栅端壁不同位置抽吸对其性能以及角区流动结构的影响规律。2抽吸缝网格设置计算中选取某压气机叶栅为研究对象,该叶栅的几何参数分别为:安装角19.6°,几何进/出气角分别为40.7°/-7.6°,几何弦长71mm,栅距37.5mm,叶栅高度160mm,对其来流攻角为0°,马赫数0.95工况时三维叶栅流动实施端部抽吸,缝隙基本情况如下:缝位置分别位于距离叶片前缘5%C上游处(记A缝)以及距离前缘25%C下游叶栅通道处(记B缝),沿栅距方向全通道开设宽度为1mm,高度5mm抽吸缝,并且仅在上端壁开缝抽吸,下端壁不抽吸,而主流区50%叶高截面基本不受端壁附面层的影响,通过上下近端壁流动参数的对比即可看到抽吸对端壁附面层的影响。计算网格应用IGG_TM在主流区生成H-I型代数网格,分布形式为65(栅距方向)×97(叶高方向)×165(流动方向),缝隙网格采用H型网格分布形式为65(栅距方向)×9(缝高方向)×9(缝宽方向),网格总数约105万。不同的抽吸位置缝隙内部网格分布形式相同,并且采用相同主流场的计算网格,应用非匹配连接技术(FUL-NOMatching)生成将主流场网格与缝隙网格连接起来。图1给出了本文在端部开槽的两个位置示意图,图2为抽吸缝A附近网格示意图。计算方面,应用FINE模块结合S-A模型求解直角坐标系下N-S方程进行流场计算,空间离散采用中心差分格式,时间项采用4阶Runge-Kutta方法迭代求解,CFL数取3.0,同时采用隐式残差光顺方法以及多重网格技术以加速收敛过程。计算时叶栅进口给定总温、总压以及气流角方向,出口给定静压,在抽细缝出口给定静压,计算得到抽吸流量,在实施抽吸过程中,抽吸会使得叶栅来流马赫数发生改变,通过调整进口总压来满足马赫数为设计状态。3计算结果表明的讨论应用上述方法,对所研究的叶栅在两个不同位置抽吸,进行了抽吸控制角区流动发展的数值模拟,获取了抽吸前后叶栅性能以及流场结构。3.1叶栅底部部截面损失a图3给出了距离叶栅前缘上游5%C的A缝抽吸时,典型截面叶片吸力面等熵马赫数分布,从图中可以看到:在根部1.5%叶高处(无抽吸)由于端壁附面层的拖拽作用,其马赫数峰值位置相对于中部截面向上游移动,并且其后的压力梯度也较小,在上端部由于前缘的抽吸作用,叶表等熵马赫数分布与根部截面有较大差异,在叶片大部分表面可能产生分离流动,端部损失增大,分析认为由于上游端壁抽吸作用,虽然吸除了壁面堆积的高熵气流,但可能使得上端壁附近来流攻角发生较大改变,增强了叶栅进口截面二次流,从而使得上端部截面损失有所增加。图4给出了叶栅总压恢复系数沿叶高分布曲线,从图中来看上端部的分离流动影响区域已经占到叶高40%左右。端部流动分离必然导致叶栅落后角必然增大,从图5可以明显的看到抽吸使得叶栅上端部截面落后角比根部要大5°左右。为了清楚的看到叶栅上游端壁抽吸对叶栅流场结构的影响,图6给出了该抽吸条件下叶片吸力面流动拓扑,从图中可以看出:由于前缘上游位置的抽吸,近上端壁区域相对于根部区域的流动更早发生分离,并且分离几乎占据了整个端部吸力表面,靠近上端壁的叶片表面分离线向上游漂移,流动恶化。图7给出了该抽吸条件下叶栅通道三个典型位置的S3面流动拓扑,从图中可以明显看出上、下端壁附近通道涡形成和破碎过程的差异:在45%C处根部附近已经形成了明显的漩涡,而在上端部由于抽吸使得叶片表面产生较大的分离区,此分离受到叶片表面以及叶栅端壁的共同作用,在靠近吸力面的角区形成较强的分离涡。由于上、下端壁生成的漩涡形式不同,二者的发展过程也有所区别,当流动至60%C处的S3面时,叶栅近上端由于受到叶片表面压力梯度的影响,通道涡已经生成,该漩涡与靠近角区分离涡相互影响,促使流动结构进一步恶化,影响范围也逐步增大,随着流体向下游流动,两个漩涡继续掺混最终形成一个强的通道涡流出叶栅通道,对于根部截面而言,通道涡虽然也受到叶片表面附面层的干扰影响,由于其分离相对不强,与根部的通道涡掺混较弱,使得其发展速度相对缓慢,影响区域相对较小,这说明在叶栅前缘上游抽吸虽然延迟了通道涡的形成,但却改变了该截面叶栅来流攻角,使得叶片表面严重分离,分离流与通道涡相互影响,发展壮大,导致叶栅损失增加。3.2叶栅内部公车抽吸对叶栅形态的影响图8给出了距离前缘25%C下游上端壁抽吸时,典型截面叶片吸力面等熵马赫数分布曲线,从图中可以看到:对比根部1.5%叶高叶片吸力面压力分布,端部抽吸后使得98.5%叶高截面马赫数峰值有所降低,峰值点位置后移,实际上对于图中显示的三个截面的吸力面马赫数而言,压力峰值点以前都是超声速流动,因此可以说抽吸使得近端壁区激波位置向下游漂移,激波强度增大。图9给出了叶栅总压恢复系数沿叶高分布曲线,从图中看到:由于上端壁抽吸吸除了上游堆积的低能高熵气流,抽吸相对于根部而言端部25%C抽吸使得其总压恢复系数略有提高,其分布形式也不再是上下对称结构了,在靠近上端壁约90%叶高处,虽然受到近端壁区域以及靠近叶片中部的主流区域高速气流的提拉作用,但还是形成了一个总压恢复系数较低的区域,分析认为是由于抽吸虽然改善了上端部分离流动,但未能完全消除分离,端部分离的逆向气流与主流的顺向气流之间形成了强烈的速度梯度,导致损失增大。图10给出了该抽吸条件下对应的叶栅出口气流角沿叶高分布,从图中不难发现:根部20%叶高以下由于没有吸除来自上游的高熵气流,叶栅落后角明显大于端部的落后角,而端部与叶栅主流区的落后角基本上一致。图11给出了叶片吸力表面流动拓扑结构,从图中可以看到,由于端部的抽吸,使得叶片表面流体再附线位置向下游漂移,端壁附面层的抽吸影响到其附近20%叶高范围内的流动,上端壁的通道涡发展得到了一定程度的延缓,在无抽吸的根部截面,由于附面层内低速、低能气体不足以克服吸、压力面的压力差,端部处横向流动明显,使得流体向吸力面偏移,会过早的形成了明显的通道涡,导致损失增大,落后角增加,并且该位置叶片表面的前缘附近还形成了明显的分离区,这些现象在有抽吸作用的上端部截面是不存在的,在上端壁附近,抽吸加速了附面层内部的流动,使得其足以克服吸、压力面的压差而顺畅的流出叶栅通道,但可能是由于抽吸的作用使得端部截面激波后移,激波强度增大,导致叶片尾缘流动分离。图12给出了叶栅通道三个典型位置的S3面流动拓扑,图中显示了上下端壁附近通道涡形成和破碎过程的差异:由于抽吸的影响,使得上端壁通道涡推迟形成,在45%C处叶栅根部附近已经形成了明显的漩涡,而在上端部在靠近吸力面的角区分离才开始出现,由于受到不同端壁效应的影响,二者的发展过程也不同,当流动至60%C处的S3面时,上端部分离流已经形成较明显的漩涡,但对于根部而言,通道涡已经发展壮大其影响范围占整个叶高约20%,直至叶栅尾缘附近的75%C处,通道涡在上端部的强度和影响范围始终小于根部,这说明对于端部抽吸,对于控制叶栅通道涡的形成和发展是一种有效的措施,可以延迟通道涡的生成,减小通道涡的影响范围,降低通道涡强度,减少叶栅损失。4叶栅通道道配激波后叶片部分分离本文应用数值模拟方法,通过在叶栅端壁不同位置开设抽吸缝吸除端壁附面层,探索控制角区分离的可行方法,通过本文的研究可以得出如下结论:(1)在叶栅前缘上游位置实施抽吸,虽然可以延缓通道涡的形成,但增强了叶栅进口二次流、导致叶栅来流攻角发生改变,端部叶片表面流动出现较大分离,在角区形成角区分离涡,并且该漩涡与通道涡相互促进,进一