翼刀控制压气机叶栅二次流的数值研究

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该文以原始实验数据为基础,对具有不同自身参数(长度、高度)和位置参数(端壁翼刀:距压力面相对位置;吸力面翼刀:距端壁相对位置)的端壁翼刀、吸力面翼刀和组合(端壁与吸力面同时加装翼刀)翼刀的CDA(可控扩散叶型)压气机叶栅在零冲角下和不同冲角下进行了数值研究,得到了控制二次流的最佳翼刀长度、高度及周向或展向位置;同时也分析了不同冲角下端壁翼刀对压气机叶栅内二次流的影响情况,得到了冲角变化时最佳翼刀位置的变化规律.另外,文中采用与同条件下相应实验结果进行对比的方式,验证了计算方法和计算结果的有效性及可靠性.端壁翼刀对二次流的控制主要表现在阻断叶栅端壁附近自压力面至吸力面的横向流动和在翼刀偏吸力面侧产生反向翼刀涡两个方面;它们控制二次流的根本,都在于削弱了通道涡的强度,改善了栅内的气流流动状况,其中翼刀对横向流动所起的阻断作用是翼刀控制二次流的主要原因.随着端壁翼刀位置向吸力面靠近,翼刀对分离流线的阻断点向下游移动,同时对马蹄涡压力面分支的阻断作用逐渐减弱.与此相应,压力面-翼刀间二次流动逐渐增强,而翼刀-吸力面间二次流动则有所减弱;整个流道内,翼刀涡强度的发展变化是一个沿流向先由弱到强、再由强到弱的过程.在端壁翼刀高度和长度增加的情况下,对横向流动的阻断作用也增强,但较高和较长的翼刀不可避免地带来了气流摩擦损失等翼刀附加损失.计算结果表明,距压力面相对位置为30%节距处为最佳端壁翼刀位置;高度为1/3附面层厚度的翼刀则是具有最佳高度的翼刀;占据前3/4流道长的翼刀为最佳长度翼刀.在所有计算方案中,它们分别都最大程度上降低了叶栅损失.保持端壁翼刀高度和长度不变,正冲角下,翼刀的最佳位置有向吸力面方向移动的趋势;负冲角下,翼刀对二次流的控制主要体现在反向翼刀涡的削弱作用上,最佳位置虽向压力面方向有所移动,但不明显.吸力面翼刀通过阻断气流的展向流动和产生反向翼刀涡来对栅内二次流动进行控制.端壁附面层和叶片吸力面附面层近端壁处的低能流体沿吸力面的展向流动受到翼刀阻断,从而在旋涡空间尺度加大的同时,也削弱了通道涡的强度;翼刀涡偏向流道中部,降低了叶栅中部附近的损失,但这个旋涡强度与端壁翼刀涡强度相比要小得多.计算结果表明,高度为吸力面附面层厚度、加装在叶展高度为一个端壁附面层厚度处的翼刀方案为最佳吸力面翼刀方案.组合翼刀同时利用了端壁翼刀和吸力面翼刀控制二次流的优点,在削弱二次流方面更为有效;但最佳组合翼刀并不是最佳端壁翼刀和最佳吸力面翼刀的简单组合.分析表明,与最佳端壁翼刀方案和最佳吸力面翼刀方案相比,最佳组合翼刀方案中的端壁翼刀有向压力面方向移动的趋势,而吸力面翼刀展向位置有向端壁移动的趋势.该文对计算所得的最佳端壁翼刀方案进行了相应的的实验研究,并与计算结果做了对比.结果表明,实验结果与计算结果吻合很好.
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