压气机叶顶间隙流的数值模拟研究
叶顶间隙流对压气机性能和稳定性都有着重要影响，对其机理的研究和认识，进而实现对其控制，对于提高航空发动机及其它燃气轮机的气动性能和稳定性具有重要意义。在过去五十年里，人们主要研究了定常状态下叶顶间隙流的机理及其对压气机性能的影响。近年来，人们发现压气机叶顶间隙流并非始终处于定常状态，在某些流动条件下，它会产生明显的非定常波动，并影响压气机的总性能。然而到目前为止，这种非定常波动的基本流动特征，形成机理及其潜在的应用前景都不够清楚。针对这一现状，本文研究工作的主要目的是，发挥CFD技术的优点，充分了解压气机叶顶间隙流的非定常特征，揭示其形成机理，并探索利用这种非定常特征提高压气机性能的可能性。
为了实现上述研究目的，本文工作从以下几个部分展开：(1)、作为本文数值模拟研究的基础，首先考核了几种数值计算方法的可靠性；(2)研究叶顶间隙流的定常流动特征；(3)研究叶顶间隙流的非定常流动特征和某些几何和气动参数改变对这种流动特征的影响；(4)解释叶顶间隙流产生非定常波动的物理机制；(5)探索利用叶顶间隙流非定常特征提高压气机性能的可能性。
第一部分作为整个研究内容的基础，利用实验数据考核了所使用的求解器中，7种湍流模型和9种叶顶区域网格精度对压气机叶顶间隙流动细节的预测能力。研究结果表明叶顶和机匣表面布置足够精度的展向网格对准确模拟叶顶间隙区域的流动细节十分必要。
第二部分利用定常数值模拟研究了某压气机孤立转子中定常叶顶间隙流的三维流动特征。结果表明机匣相对转子运动以及叶顶间隙增大都会增强叶顶间隙涡和削弱叶顶通道涡。
第三部分利用非定常数值模拟详细分析了压气机孤立转子和某两级轴流压气机中，叶顶间隙流发生非定常波动时的瞬态流场特征和频率特性，并研究了某些几何和气动参数变化，以及动叶前后静叶干涉对这种非定常流动特征的影响。结果表明在设计叶项间隙下，当流量系数减小到0．586时，压气机孤立转子叶顶间隙流会以0．5倍左右的转子叶片经过频率产生周期性非定常波动。流量系数减小、顶部间隙增加、进口边界层厚度增加、转速增加都会增强叶顶间隙流的非定常波动强度和减小其波动频率。增加动叶前后静叶干涉强度也能增强叶顶间隙流的非定常波动强度，但不影响其波动频率。在不同的压气机几何参数和流动条件下，以动叶顶部间隙流的自然波动频率、动叶顶部进口时均相对速度和动叶顶部弦长定义的无量纲频率分布在0．60,-0．76之间。
第四部分发展了一种描述叶顶间隙流非定常波动机理的假设和一种判断叶顶间隙流是否发生非定常波动的方法。结果表明叶顶间隙流发生非定常波动可以理解为是叶顶区域叶片两侧压差形成的“叶片力”和叶顶间隙流泄漏造成的“叶片亏损力"两股力量打破静态平衡，建立动态平衡的结果。当两股力量增加到一定程度，使得叶顶泄漏涡和相邻叶片压力面相碰撞，发生一定强度的二次泄漏流是叶顶间隙流产生非定常波动的必要条件。
第五部分则初步探讨了通过在叶顶表面布置吹吸气非定常激励源控制叶顶间隙流的非定常特征来提升压气机性能的可能性。结果表明可以通过在叶顶表面布置吹吸气非定常激励源控制叶顶间隙流来提升压气机性能。在所研究的几种方案中，当激励频率和叶顶间隙流自然波动频率相同时，转子总体性能随着激励幅值增加逐渐提升。在相同激励幅值下，转子总体性能近似随着激励频率增加单调提升，并且性能的提升量能够在较宽频率范围内维持不变。
压气机;叶顶间隙流;定常流动;非定常流动;流量系数
中国科学院工程热物理研究所
博士
工程热物理
黄伟光;张宏武
2006
中文
TH45
176
2007-07-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）