吸附式擴(kuò)壓葉柵流動(dòng)仿真與試驗(yàn)研究

王 東，馮冬民，郝晟淳，劉建明，李麗麗

（中國(guó)航發(fā)沈陽(yáng)發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，遼寧 沈陽(yáng) 110015）

0 引 言

流動(dòng)控制技術(shù)正成為空氣動(dòng)力學(xué)發(fā)展的前沿技術(shù)，為高效、高負(fù)荷壓氣機(jī)設(shè)計(jì)帶來(lái)了重大變革[1]。隨著壓氣機(jī)不斷向高負(fù)荷和低展弦比的方向發(fā)展，端壁二次流損失占總損失的比例越來(lái)越高[2]，葉柵負(fù)荷的增加，端壁和吸力面上的流動(dòng)趨于復(fù)雜，附面層的位移厚度不僅影響到軸向密流比，也影響著葉型氣動(dòng)性能參數(shù)測(cè)量的精度。在影響擴(kuò)壓葉柵氣動(dòng)性能的各因素中，附面層流動(dòng)狀況具有決定作用[3]，所以探討高負(fù)荷擴(kuò)壓葉柵流動(dòng)分離、旋渦模型和流動(dòng)控制十分必要。Choi等[4-5]在某一單列動(dòng)葉上較為詳盡地研究了附面層厚度與壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)和損失的相互關(guān)系。隨著葉柵負(fù)荷的增加，擴(kuò)壓葉柵端壁角區(qū)的流動(dòng)分離和二次流是下游高損區(qū)產(chǎn)生的主要原因[6]，流動(dòng)分離和旋渦運(yùn)動(dòng)是粘性流體流動(dòng)的重要特征，而油流線實(shí)際上是壁面摩擦應(yīng)力線的反映[7]。主流流動(dòng)控制，可以控制附面層流動(dòng)阻力[8]，改善尾跡流動(dòng)[9]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于擴(kuò)壓葉柵內(nèi)詳細(xì)的渦系結(jié)構(gòu)還缺少系統(tǒng)的分析[10]。為了研究抽氣縫位置的變化、抽氣量的大小對(duì)控制大彎角擴(kuò)壓葉柵內(nèi)附面層分離的影響，探索吸附式葉柵流動(dòng)變化的規(guī)律，提高對(duì)葉片吸力面低能流體的有效控制。本文結(jié)合數(shù)值仿真，設(shè)計(jì)了高亞音速吸附式平面葉柵試驗(yàn)件，給出了吸力面低能流體的不同抽吸方案，研究在高亞音速狀態(tài)下，吸附式平面葉柵端壁和葉片吸力面上的分離線形態(tài)、流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和吸附式葉柵的氣動(dòng)特性，以及吸氣位置、吸氣量對(duì)葉柵氣動(dòng)性能的影響。通過(guò)葉柵試驗(yàn)與驗(yàn)證，進(jìn)一步闡述了流動(dòng)損失機(jī)理及旋渦的流動(dòng)特點(diǎn)，為設(shè)計(jì)更高性能的壓氣機(jī)葉柵提供一條有益的途徑。

1 數(shù)值建模

計(jì)算采用的控制方程為湍流N-S方程和k-ε湍流模型，采用中心差分格式輔以矢通量分裂算法、四階Runge-Kutta法迭代求解。為了加速收斂，計(jì)算使用了多重網(wǎng)格技術(shù)。葉片采用O型網(wǎng)格計(jì)算，由Numeca/AutoGrid生成，網(wǎng)格質(zhì)量較好，網(wǎng)格總數(shù)為843632，計(jì)算模型見(jiàn)圖 1（a）。

抽吸計(jì)算在不抽吸IGGTMGrid模型基礎(chǔ)上，在空心葉片吸力面沿展向開(kāi)2mm縫隙。葉柵三維流動(dòng)采用了SST k-w兩方程湍流模型。將葉柵劃分成6個(gè)模塊，節(jié)點(diǎn)總數(shù)量為855070，網(wǎng)格加密后進(jìn)行邊界條件定義，計(jì)算邊界條件包括：進(jìn)口邊界、出口邊界、周期性邊界和固壁邊界。進(jìn)口邊界給定總壓、總溫、湍流黏性和氣流方向，出口給定平均壁面靜壓，壁面條件為無(wú)滑移和絕熱，計(jì)算模型如圖1（b）所示。

2 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)件

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)是在某高亞音速平面葉柵試驗(yàn)器上進(jìn)行，試驗(yàn)器的有效風(fēng)口面積為100 mm×250 mm，進(jìn)口馬赫數(shù)Ma≤0.95，進(jìn)氣角β1范圍 20°～110°。 在風(fēng)口面積為100 mm×120 mm，Ma=0.68，主流面積與流場(chǎng)總面積之比為0.746。

附面層抽吸裝置是由兩個(gè)引射裝置組成，單級(jí)引射器最大流量1.5 kg/s，被流壓力50 kPa；雙級(jí)引射器最大流量0.5 kg/s，被流壓力25 kPa，抽吸裝置如圖2所示。

圖1 三維流場(chǎng)抽吸計(jì)算模型

圖2 抽吸裝置

測(cè)試系統(tǒng)采用PSI9010、DSA3217和VXI對(duì)各溫度測(cè)點(diǎn)、壓力測(cè)點(diǎn)等進(jìn)行測(cè)量，壓力測(cè)試滿足ΔP≤±0.3%的技術(shù)要求，角度測(cè)量滿足 Δβ≤±0.5°的技術(shù)要求[11]，采集測(cè)控系統(tǒng)如圖3所示。

2.2 試驗(yàn)件

吸附式葉柵試驗(yàn)件由2個(gè)實(shí)心首末葉片、4個(gè)空心開(kāi)槽葉片、2個(gè)測(cè)表壓葉片、帶測(cè)壓孔的柵板和集氣室組成，吸附式葉柵試驗(yàn)件如圖4所示。一般把葉型彎角＞43°的葉柵稱為大彎角葉柵[12]，試驗(yàn)件葉片弦長(zhǎng)為60 mm，葉高為100mm，葉柵彎角＞51°，吸附葉片在吸力面沿法線位置開(kāi)縫，縫隙在葉型表面，寬度為2mm，開(kāi)槽位置在吸力面上分別距離前緣25%、50%、75%弦長(zhǎng)處。

圖3 采集測(cè)控系統(tǒng)

圖4 吸附式葉柵試驗(yàn)件

3 仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

3.1 兩種模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖5是采用兩種建模方式得到的計(jì)算結(jié)果，一種通過(guò)Numeca軟件中的AUTOGRID模塊自動(dòng)建立葉柵流道的幾何結(jié)構(gòu)，通過(guò)葉型數(shù)據(jù)和葉柵幾何參數(shù)建立幾何數(shù)據(jù)文件，并生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。在生成網(wǎng)格時(shí)，為了詳細(xì)捕捉局部分離或再附等復(fù)雜流動(dòng)的細(xì)節(jié)，滿足湍流模型對(duì)附面層網(wǎng)格的特殊要求，對(duì)流道局部區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理；另一種采用Numeca軟件中IGGTM網(wǎng)格生成，網(wǎng)格數(shù)據(jù)由葉片吸力面、葉片壓力面和上下端壁面上離散點(diǎn)的三維坐標(biāo)構(gòu)成。其中兩種模型上下端壁的數(shù)據(jù)分別從葉柵流道的進(jìn)口和出口向上游延長(zhǎng)1倍弦長(zhǎng)和下游延長(zhǎng)1倍弦長(zhǎng),出口背壓為大氣條件。因y+值直接影響網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比，y+值過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)寬比過(guò)大，使計(jì)算失真，因此選取近端壁（y+3）進(jìn)行仿真分析，近端壁與葉中截面對(duì)比表明，兩種建模的數(shù)值仿真的流動(dòng)規(guī)律是相似的，經(jīng)過(guò)葉柵試驗(yàn)驗(yàn)證，仿真結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量有可比性，葉柵仿真結(jié)果均采用了IGGTMGrid建模的計(jì)算結(jié)果。

3.2 葉柵仿真結(jié)果分析

圖5 葉柵數(shù)值仿真（i=4°，Ma=0.86）

圖6 葉柵中截面數(shù)值仿真

從圖 6（a）～圖 6（f）數(shù)值仿真結(jié)果顯示，兩種建模方式下的仿真結(jié)果相近，隨著攻角增加，其阻塞馬赫數(shù)也增加，壓力虧損區(qū)主要來(lái)自端壁區(qū)。圖6（b）和圖6（d）表明隨著攻角的增大，分離對(duì)主流區(qū)的影響愈加明顯；在亞臨界狀態(tài)下正攻角越大，其角區(qū)分離區(qū)域也越大；同攻角下隨著馬赫數(shù)增大，存在很強(qiáng)的逆壓力梯度，葉柵通道內(nèi)的邊界層很容易產(chǎn)生分離；從圖 6（e）～圖 6（h）可知，在無(wú)抽吸的情況下吸力面角區(qū)存在尾跡流和旋渦，對(duì)比圖6（g）和圖6（h）可知音速包位于30%b和50%b之間，分離位置大約在75%b槽位置附近，導(dǎo)致低能流體的堆積；圖6（e）、圖 6（g）、圖 6（h）抽吸的仿真結(jié)果表明，在 75%b 抽吸，抽吸壓力60kPa，激波明顯減弱，尾跡流和旋渦明顯變小，擴(kuò)壓能力明顯增強(qiáng)；在25%b抽吸，抽吸壓力80kPa，激波未能減弱，效果并不明顯；而在50%b抽吸，音速包隨抽吸壓力的變化其形態(tài)發(fā)生改變，在抽吸壓力70kPa，擴(kuò)壓能力下降，分離加重，角區(qū)低能流體堆積，槽道內(nèi)未體現(xiàn)出增壓降速的流動(dòng)特征，壓氣機(jī)葉柵的氣動(dòng)性能明顯下降。說(shuō)明開(kāi)槽位置不合適，不但不能減小流動(dòng)損失，反而會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)分離提前發(fā)生甚至加劇分離，引起流場(chǎng)惡化，損失增加，因此抽吸位置是個(gè)關(guān)鍵因素。

3.3 油流顯示與數(shù)值仿真對(duì)比

圖7是葉柵在不同攻角不同馬赫數(shù)下葉柵油流顯示和仿真結(jié)果。油流圖譜顯示氣流在葉片表面的分離起始點(diǎn)位置隨攻角變化，葉柵流場(chǎng)呈現(xiàn)復(fù)雜的三維流動(dòng)，存在很強(qiáng)的逆壓力梯度，試驗(yàn)和計(jì)算仿真表明，葉柵在i=6°、Ma=0.7狀態(tài)下，葉片吸力面出現(xiàn)明顯的渦對(duì)，從仿真結(jié)果也說(shuō)明了渦系結(jié)構(gòu)的存在，表明葉柵的二次流對(duì)損失影響較大。圖7表明，在高負(fù)荷壓氣機(jī)葉柵中，端部損失將占總損失的主要部分[13]。 從圖 7（a）、圖 7（c）、圖 7（e）的油流圖譜可知，葉柵吸力面分離嚴(yán)重，在端壁尾緣出口附近，流線很不規(guī)則表明有流動(dòng)分離和旋渦的存在。這是因?yàn)殡S著葉片負(fù)荷的增加勢(shì)必導(dǎo)致壓氣機(jī)葉柵內(nèi)部逆壓力梯度增大，使得端壁和葉片吸力面附面層更易發(fā)生分離[14]。油流圖譜和仿真結(jié)果表明，高負(fù)荷擴(kuò)壓葉柵端壁流動(dòng)比較復(fù)雜。

3.4 吸力面抽吸仿真分析

圖8仿真結(jié)果和圖7油流圖譜表明，葉柵內(nèi)流動(dòng)非常復(fù)雜，影響因素多，有幾何因素、來(lái)流馬赫數(shù)、激波邊界層干擾等。軸流速度的大小可反映葉柵通流能力的強(qiáng)弱，而且低速區(qū)與高損失區(qū)相對(duì)應(yīng)[15]。圖8的仿真結(jié)果表明，流通能力比不抽吸明顯增強(qiáng)，抽吸的結(jié)果角區(qū)附面層減薄，端壁二次流減弱，尾跡摻混損失減小，說(shuō)明對(duì)角區(qū)吸力面邊界層的抽吸作用可以防止流動(dòng)分離，具有減弱流動(dòng)分離的效果，改善葉柵的氣動(dòng)性能。

圖7 葉柵油流顯示和壁面仿真結(jié)果

圖8 葉柵抽吸壁面仿真結(jié)果

3.5 葉柵損失特性

圖9 試驗(yàn)結(jié)果表明，在i=-2°，2°，6°及Ma=0.7狀態(tài)下，二次流的損失占葉柵損失很大一部分。從圖9可知，對(duì)于高亞音速平面葉柵，在吸力面75%弦長(zhǎng)位置開(kāi)槽吸除葉片附面層，擴(kuò)散因子在大部分范圍內(nèi)是增加的，表明擴(kuò)壓能力是提高的，圖9（b）表明抽吸過(guò)程存在一個(gè)最佳的吸氣流量比。吸力面附面層吸除可以提高葉柵的擴(kuò)壓能力，而且能減小流動(dòng)損失改善葉柵總體性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）試驗(yàn)結(jié)果表明，葉柵吸力面開(kāi)槽抽吸，存在著一個(gè)最佳的吸氣流量比，在適當(dāng)?shù)奈恢瞄_(kāi)槽，小的吸氣流量也可以提高葉柵的擴(kuò)壓能力，減小流動(dòng)損失，提高葉柵總體性能。

圖9 葉柵抽吸試驗(yàn)曲線

2）對(duì)于高亞音速平面葉柵，吸氣位置是關(guān)鍵因素，采用吸力面附面層吸除可以提高葉柵的擴(kuò)壓能力，但不一定能減小流動(dòng)損失。

3）在分離區(qū)上游抽吸會(huì)加劇分離，增加損失；在分離區(qū)下游較遠(yuǎn)的地方抽吸，對(duì)減小損失也不理想；吸氣位置處于分離起始區(qū)域抽吸其吸氣效果比較理想，用較小的抽吸量也能達(dá)到降低損失的效果。

4）在激波后、附面層分離起始區(qū)域控制附面層，對(duì)葉片附面層在逆壓力梯度的發(fā)展，抑制分離有明顯效果。

5）密流比對(duì)測(cè)量葉柵氣動(dòng)參數(shù)有很大影響，為提高測(cè)量的準(zhǔn)確性，有必要進(jìn)行葉片端壁附面層抽吸，以保證葉柵流場(chǎng)的二元性。

[1]方昌德.流動(dòng)控制技術(shù)在航空渦輪推進(jìn)系統(tǒng)上的應(yīng)用[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2003，16（2）：1-6.

[2]KOCH C C，SMITH J L H.Loss sources and mangnitudes in axial-flow compressors[J].ASME Journal of Engineering for Power，1976，98（2）：411-416.

[3]趙桂杰.彎瓊擴(kuò)壓葉柵內(nèi)附面層與二次流控制的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2005.

[4]CHOI M，PARK J Y，BEAK J.Effects of inlet boundary layer thickness on the flow and loss characteristics in an axial compressor[C]//Proceedings of GT2005.SSTM，2005.

[5]WAGNER J H，DRING R P，JOSLYN H D.Axial compressor middle stage secondary flow study：NASA CR-3701[R].1983.

[6]SCHULZ H D，GALLUS H E.Experimental investigation of the three-dimensional flow in an annular compressor cascade[J].ASME Jounal of Turbomachinery，1988（110）：467-478.

[7]鄧學(xué)鑒，劉謀潔，呂志詠.油流顯示技術(shù)和油流譜分析原理[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，1987（2）：29-30.

[8]RAO N M，F(xiàn)ENG J，BURDISSO R A，et al.Active flow control to reduce fan blade vibration and noise[C]//5th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference.AIAA，1999.

[9]VERMUELEN P J，GRABINSKI P，RAMESH V.Mixing of an acoustically excited air jet with a confined hot crossflow[J].ASME Journal of Engineering for Gas Turbines and Power，1992（114）：46-54.

[10]張華良.采用葉片彎/掠及附面層抽吸控制擴(kuò)壓葉柵內(nèi)渦結(jié)構(gòu)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.

[11]高速風(fēng)洞和低速風(fēng)洞流場(chǎng)品質(zhì)規(guī)范：GJB 1179-1991[S].北京：國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)，1991.

[12]李紹斌，蘇杰先，王仲奇.彎用高負(fù)荷彎曲靜葉的壓氣機(jī)改型研究[J].航空動(dòng)力學(xué)，2006，21（4）：743-746.

[13]宋彥萍，陳浮，趙桂杰，等.附面層吸除對(duì)大轉(zhuǎn)角壓氣機(jī)葉柵氣動(dòng)性能影響的數(shù)值研究 [J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2005，20（4）：561-566.

[14]陳浮，陳紹文，郭爽，等.高負(fù)荷壓氣機(jī)葉柵分離與流場(chǎng)結(jié)構(gòu)研究[J].工程熱物理學(xué)報(bào)，2009，28（1）：201-202.

[15]張永軍.擴(kuò)壓葉柵采用彎葉片控制流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與改善氣動(dòng)性能的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.