基于能量耗散率的低速扩压叶栅损失研究.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaOct．252015Vol36No．103249—3262ISSN1000-6893ON11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaaedu．crlhkxb@buaa．eduCRDOI：10．7527／S10006893．2015．0134基于能量耗散率的低速扩压叶栅损失研究田思濠1～，吴云1’2一，张海灯3，李应红1，李军11．空军工程大学航空航天工程学院，西安7100382．西安交通大学航空航天学院，西安7100913．北京航空航天大学能源与动力工程学院，北京100191摘要：针对无化学反应和

2、热流输入的叶栅有黏不可压流模型，推导出能量耗散率的组分分解式，根据叶栅流场仿真结果进行分析简化，得到由轴向涡量、轴向阻力和剪切力组成的能量耗散率分解式。结合总压损失，分析了耗散各组分在前缘损失、叶表损失和通道损失中的主导因素：轴向涡量项反映旋涡结构，在通道损失中占主要部分，集中在通道涡和分离面附近；轴向阻力项反映扩压和叶表边界层转折造成的流动损失，在前缘损失和叶表损失中占主要部分，集中在叶栅前部的叶表边界层和主流区；剪切力项反映轴向截面速度不均匀性，在叶栅后部的叶表损失和通道损失中占主要部分，集中在叶表、端壁边界层和分离面附近。旋涡结构和耗散各组分分布特征揭示了叶栅通道中旋涡结

3、构与能量耗散之间的分布关系，分离区并不是主要能量耗散区，高能量耗散区主要分布在叶表边界层(叶栅前部由轴向阻力项主导，后部由剪切力项中的儿aV，／ay)2项主导)、分离面附近(受剪切力项中的u(aU／ay)2项和轴向涡量项影响)。大攻角情况下，叶栅通道损失显著增加，正攻角促使轴向涡量项的增长点提前，负攻角则使得叶表边界层的速度剪切加剧。关键词：低速扩压叶栅；能量耗散率；总压损失；旋涡结构；攻角特性中图分类号：v211．24文献标识码：A文章编号：1000—6893(20l5)10-3249—14扩压叶栅流动损失的探讨，是压气机内部流动损失研究的重要基础。为了实现扩压叶栅的气动优化

4、设计与流动控制，必须深入研究叶栅通道中流动损失的产生机制、主导因素、流场细节与损失的关系等基础问题[1‘4]。扩压叶栅流动损失的估算模型来源于涡轮叶栅的相关工作口]，涡轮叶栅的估算模型可以有效估计叶栅的工作特性，但未能揭示叶栅内部的流动损失状况[6码]。随着流动拓扑理论的发展[1川，扩压叶栅旋涡拓扑模型的研究逐渐增多¨1。17]。由于逆压梯度的影响，扩压叶栅内部旋涡的产生、发展、演化和耗散过程更为复杂，至今尚无定论。对于流动损失的分析，总压损失只能反映损失的总体，不能反映损失的具体变化，因此需要使用体现熵增的能量耗散函数。通过引入能量耗散率作为分析参数，可以获得叶栅通道内部能量

5、耗散的分布特征[15I。通过分析能量耗散率在不同叶高和不同栅距的分布特性，可以确定叶栅损失的主要区域[18】。通过分析能量耗散率、二次流能量等参数，可以建立叶栅总压损失与二次流之间的关系El9]。能量耗散率体现熵增的分布特性，总压损失体现叶栅的流动特性，对两者综合分析，能够深入理解旋涡结构和能量耗散的关系。能量耗散率是一个宏观参数，对其组分进行分解，一方面收稿日期：2014—11-05；退修日期：2015-03-19；录用日期：2015-05—14；网络出版时间：2015-06·3017：01网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．2

6、01506301701004．html基金项目：国家自然科学基金(51207169，51276797)*通讯作者．Tel．：029—84787527E-mail：wuyunl223@126com引用撂武}TianSM．WuY．ZhangHD。etal．Energylossinalow-speedcompressorcascadewithdissipationfunctionCJ]．ActaAeronauti—caetAstronauticaSinica，2015，36(10)：3249-3262．田思潆，吴云．张海灯，等．基f能量耗散率的低速扩压叶栅损失研究iJ]航空学报．20

7、15，36(10)：3249-3262．航空学报Oct．252015Vo36No10可以深化对流动损失组成、分布等机理的认识，另一方面可以为叶栅流动控制方案设计提供指导。本文首先推导低速扩压叶栅能量耗散率的组分分解式；然后结合总压损失，分析前缘损失、叶表损失和通道损失中的主要组分；然后结合旋涡结构和耗散各组分分布特征，揭示叶栅通道中旋涡结构与能量耗散之间的分布关系；最后研究了大攻角情况下的能量耗散率分布特性。1仿真模型和验证1．1叶型几何模型本文研究的压气机叶型为NACA65一K48，其主要