1、隨著我國(guó)商用大飛機(jī)項(xiàng)目的推進(jìn),我國(guó)要設(shè)計(jì)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī),必須大力開(kāi)展相應(yīng)的基礎(chǔ)研究,獲取第一手的數(shù)據(jù)和資料,以豐富和完善我國(guó)的渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)體系。大轉(zhuǎn)折角渦輪靜葉柵的二次流研究是一個(gè)難點(diǎn),研究和掌握渦輪內(nèi)部流動(dòng)特性,對(duì)提高渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)效率、擴(kuò)大其穩(wěn)定運(yùn)行工作范圍、提高運(yùn)行的安全和可靠性意義重大。
　　 實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬是研究葉輪機(jī)械內(nèi)部流場(chǎng)的兩種基本方法。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,各類先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)的不斷出現(xiàn),如

2、熱線風(fēng)速儀和粒子圖像測(cè)速儀,為實(shí)驗(yàn)研究提供了有效的測(cè)量工具,同時(shí)計(jì)算機(jī)性能的飛速提高和計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)的日趨完善,基于求解三維粘性Navier-Stokes方程的數(shù)值模擬方法為葉輪機(jī)械內(nèi)部流場(chǎng)的研究提供了強(qiáng)大的手段。
　　 本文正是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法來(lái)研究了大轉(zhuǎn)折角渦輪靜葉柵的非定常流動(dòng)特性和葉柵出口平面的二次流情況。主要研究?jī)?nèi)容和研究成果如下:
　　 1.闡述了實(shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展歷程和現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)發(fā)展的

3、最新成果,比較了各種實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x器的具體參數(shù)和應(yīng)用范圍。
　　 2.搭建了亞音速軸流渦輪內(nèi)部流場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái),設(shè)計(jì)加工了實(shí)驗(yàn)渦輪模型,詳細(xì)介紹了渦輪模型的設(shè)計(jì)參數(shù)。采用靜葉柵前后移動(dòng)的圓柱列替代上下游動(dòng)葉,以當(dāng)量圓柱繞流尾跡模擬動(dòng)葉繞流尾跡,分析了葉柵沿流向各截面二次流及葉柵的氣動(dòng)特性。同時(shí)通過(guò)上下兩塊平面套板對(duì)葉片的遮擋,形成不同葉高的實(shí)驗(yàn)件。隨后將熱線風(fēng)速儀和粒子圖像測(cè)速應(yīng)用到軸流平面葉柵實(shí)驗(yàn)臺(tái)。
　　 3.采用旋轉(zhuǎn)單絲

4、斜熱線測(cè)量渦輪平面葉柵出口周期性三維流場(chǎng),借助于Matlab的的LSQNONLIN最優(yōu)化函數(shù)對(duì)熱線測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合以求解三維速度平均量。成功地獲取了渦輪出口平面的三維速度分布,及葉柵出口平面二次流的基本特征。并研究在兩種不同進(jìn)口流量和三種不同的葉片高度下,熱線測(cè)得的葉柵出口瞬態(tài)速度場(chǎng)。發(fā)現(xiàn)高速進(jìn)口較低速進(jìn)口葉柵尾跡明顯,二次流強(qiáng)度較大;而較小的葉高下二次流較為劇烈,導(dǎo)致葉柵出口平面內(nèi)徑向流動(dòng)速度、垂直于出口平面軸向速度的迅速增大

5、和出口平面內(nèi)周向流動(dòng)速度的顯著降低。
　　 4.利用激光粒子圖像測(cè)速儀(PIV)測(cè)量了上游圓柱不同位置、葉柵不同高度工況下葉柵流道和葉柵出口平面的速度整場(chǎng)信息。葉柵實(shí)驗(yàn)中將模擬動(dòng)葉的圓柱列沿周向方向每次移動(dòng)四分之一節(jié)距距離,進(jìn)行平面速度場(chǎng)的測(cè)量,查看圓柱尾跡對(duì)下游葉柵影響的整場(chǎng)情況。研究發(fā)現(xiàn):尾跡的存在會(huì)破壞均勻流場(chǎng),導(dǎo)致葉型流動(dòng)損失的增加。同時(shí),葉高的變化也會(huì)對(duì)二次渦產(chǎn)生影響。在較小的相對(duì)葉高下葉柵出口二次渦匯合,強(qiáng)度較大;而

6、在較大的相對(duì)葉高下二次渦分離。
　　 5.采用商業(yè)CFD計(jì)算軟件FLUENT,采用控制容積積分法和sstκ-ω湍流模型求解三維雷諾平均的N-S方程組,詳細(xì)模擬了大轉(zhuǎn)折角渦輪靜葉柵的三維流動(dòng)。較準(zhǔn)確地捕捉到葉柵內(nèi)部的二次流渦系以及損失的產(chǎn)生和發(fā)展細(xì)節(jié)、獲取了葉柵速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、二次流渦系的演變以及損失的發(fā)展,并獲得了實(shí)驗(yàn)無(wú)法測(cè)量的葉片近壁面流場(chǎng)、極限流線等參數(shù)。對(duì)計(jì)算結(jié)果分析發(fā)現(xiàn),葉片前部沒(méi)有圓柱列的情況下葉片總壓損失最小,且圓柱

7、尾跡進(jìn)入葉柵流道的部位不同,對(duì)葉柵內(nèi)部流場(chǎng)有顯著影響。同時(shí)通道內(nèi)逐漸增大的橫向壓力梯度對(duì)二次渦發(fā)展產(chǎn)生了顯著的影響,引起沿流向葉柵總壓損失的急劇增大。最后,發(fā)現(xiàn)葉高的減小以及攻角的增大會(huì)極大提高葉柵的二次流損失,其本質(zhì)原因都是葉柵通道內(nèi)二次流所占區(qū)域的擴(kuò)大所致。
　　 6.基于以上數(shù)值計(jì)算方法,數(shù)值模擬了葉柵端壁加裝翼刀的渦輪靜葉柵的三維流場(chǎng),分析翼刀對(duì)葉柵沿流向各截面二次流及葉柵的氣動(dòng)特性的影響。通過(guò)與常規(guī)葉柵二次流特性的比較

8、,發(fā)現(xiàn)翼刀的存在一方面降低端壁附面層內(nèi)橫向壓力梯度,減弱低能流體向吸力面/壁角區(qū)的堆積;另一方面產(chǎn)生反向翼刀渦限制馬蹄渦的壓力面分支發(fā)展,從而達(dá)到減小通道渦的尺寸和強(qiáng)度的目的。最后通過(guò)不同高度及不同位置的翼刀方案的比較,發(fā)現(xiàn)模擬工況中控制二次流的最佳翼刀高度和翼刀周向布置位置。
　　 7.數(shù)值求解了前緣開(kāi)設(shè)渦漩腔渦輪靜葉柵的三維流動(dòng),分析了葉柵沿流向各截面二次流及葉柵的氣動(dòng)特性。在葉片前緣開(kāi)設(shè)的渦漩腔構(gòu)造可以明顯地降低葉柵二次流