压气机叶栅叶尖涡系结构及非定常流动控制研究

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1、中图分类号：V231.3论文编号：102870218-S085学科分类号：082502硕士学位论文压气机叶栅叶尖涡系结构及非定常流动控制研究研究生姓名张志远学科、专业航空宇航推进理论与工程研究方向内流流动控制指导教师黄国平教授南京航空航天大学研究生院能源与动力学院二О一八年三月NanjingUniversityofAeronauticsandAstronauticsTheGraduateSchoolCollegeofEnergyandPowerEngineeringResearchontheTipVortexStructureandUnsteadyFlowControlofCom

2、pressorCascadeAThesisinAerospacePropulsionTheoryandEngineeringbyZhangZhiyuanAdvisedbyProf.HuangGuopingSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringMarch,2018承诺书本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教

3、育机构的学位或证书而使用过的材料。本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本承诺书）作者签名：日期：南京航空航天大学硕士学位论文摘要本文针对NACA64-A905带间隙扩压叶栅叶尖涡系结构的拟序流动特征以及对其流动控制的方法及机理开展了数值计算工作，对扩压叶栅三维拟序流动过程及特性充分研究的基础上，提出了一种在机匣上开抽吸孔的方式来实现非定常激励控制叶尖区域非定常拟序涡结构的技术思路，探究了该形式非定常激励对于流场结构的控制机理，并研究了激励位置对于控制效果的影

4、响规律。本文主要工作和结论如下：首先利用定常数值模拟方法并结合漩涡判别准Q准则的流场可视化技术针对对扩压叶栅叶尖流场结构有重要影响的三个因素：端壁移动速度、来流攻角、叶尖间隙大小对叶尖流场的影响规律进行了研究，研究表明：端壁移动会使通道涡耗散，同时使泄漏涡形态发生改变并且与轴向夹角变大；通过对额定攻角到失速攻角的进口攻角计算发现大攻角下叶背侧分离涡在叶尖转变为叶尖尾缘轴向分离涡，该分离涡一方面不断卷吸泄漏流，使泄漏流周向泄漏速度降低，不再汇入泄漏涡中，另一方面该分离涡也使叶尖间隙内有效通流面积降低，对于泄漏流有一定的抑制作用，当攻角一定时，随着叶尖间隙的变化，存在某一间隙使得抑制

5、作用达到最大，此时的叶尖间隙为最佳间隙，此间隙下叶栅总压损失最小。其次通过大涡模拟的数值计算方法，对近失速工况下的旋涡结构进行研究，发现了叶尖区域次泄漏涡的存在。近失速工况下，主泄漏涡向下游发展过程中会发生破碎，造成叶尖堵塞与熵增损失，而次泄漏涡在通道下游汇入主泄漏涡的过程中也会发生破碎；通过快速傅利叶变换得到叶尖泄漏涡主频，随着泄漏涡向下游发展，泄漏涡频率波动幅值降低，杂频波动幅值增大。通过对不同时刻流场进行分析，得到了分离涡与泄漏涡动态耦合过程，并发现泄漏涡的周期性摆动与叶尖角区分离涡团的周期性脱落是叶尖流场具有非定常性的主要原因。最后本文对不同激励位置对流场的控制效果及机理

6、进行分析，研究表明：激励位置位于叶栅前缘时，总压损失系数下降4.5%，激励位于叶栅尾缘时，无法降低叶栅的总压损失。两种激励位置均可以使叶尖区域前缘的载荷降低，有助于对提高压气机的稳定裕度。通过对有控状态叶尖流场频率研究发现，与无控状态下泄漏涡主频幅值较小不同，此时叶尖泄漏涡存在一个明显的主频，主频大小接近于激励频率大小。与无控状态杂频幅值较大，泄漏涡主频不明显相比，有控状态的杂频幅度值大小得到了较为明显的抑制作用，此时的叶顶区域流场通过非定常激励信号与流场的非线性作用使流场处于较为有序化的共振状态。关键词：扩压叶栅，数值模拟，泄漏涡，涡系结构，非定常流动控制I压气机叶栅叶尖涡系结

7、构及非定常流动控制研究ABSTRACTInthispaper,NACA64-A905diffusercascadewithtipclearanceisadoptedtostudythetipvortexflowcharacteristicsandtheflowcontrolmethodsmechanismswiththewayofnumericalsimulation.Basedonthesufficientstudyonthethree-dimensionalflowfield