彎扭葉片理論與設(shè)計方法作業(yè)

1、彎壓氣機葉柵內(nèi)端壁流動的實驗與數(shù)值模擬研究摘要：在彎壓氣機葉柵中，為了理解三維的流動狀況，尤其是角區(qū)失速現(xiàn)象，已經(jīng)進行了大量詳細的實驗和數(shù)值模擬研究。這些彎葉片流動狀況的實驗和數(shù)值模擬結(jié)果都是與直葉片進行對比。直葉片的數(shù)值模擬結(jié)果顯示，在靠近葉片吸力面位置處存在兩個對旋渦。彎葉片的計算結(jié)果顯示渦的存在變?nèi)趿?，究其原因是因為在彎葉片壁面處的葉片載荷較直葉片小。當(dāng)氣動載荷增強的時候，在直葉片靠近角區(qū)失速位置形成了三個渦，同時當(dāng)靠近角區(qū)失速區(qū)域的渦的數(shù)量減少到兩個是時候，在靠近前緣位置形成了一個渦。術(shù)語AVDR=軸向速度密度比=氣流角C=弦長=葉型彎角Cax=軸向弦長=彎角DF=擴散系數(shù)=安裝角h=

2、葉高=總壓損失系數(shù)k=湍動能：M=等熵馬赫數(shù)Pt=總壓下標(biāo)Ss,Sb=前緣鞍點1=前緣上游進口截面Tu=湍動度：2=尾緣下游出口截面u,U=速度：x=軸向方向上標(biāo)y=周向方向=周向質(zhì)量平均或時間平均z=徑向方向/=非穩(wěn)態(tài)1 引言對于燃氣輪機，多級軸流壓氣機的低損失、高效率是尤為重要的。在現(xiàn)有的高負荷、小展弦比葉片的多級壓氣機三維流場是復(fù)雜的，并且壁面損失來源于二次流的增強。因此，降低二次流損失以達到效率的提高是有必要的。迄今為止，關(guān)于彎、掠及端壁彎曲葉片的三維流場研究已經(jīng)進行很多了。在線性壓氣機葉柵中，關(guān)于彎和掠葉片的影響的實驗研究已經(jīng)被報到出來了。Weingold等人進行了搭載彎曲靜葉的三級

3、高速壓氣機實驗，發(fā)現(xiàn)能夠提高壓比和效率。Fischer等人在一個四級高速軸流壓氣機中研究了大彎角靜葉的流場影響。LeJambre等人在一個包含彎葉片的十一級高壓壓氣機演示了效率提升2%的一個實驗。Gummer等人對高負荷跨音速壓氣機描述了彎和掠概念。他們的數(shù)值研究顯示，先進的葉片能提高徑向載荷分布并且改善端壁邊界層的發(fā)展。近來，一些數(shù)值模擬分析已經(jīng)完成，目的是為了理解在軸流壓氣機葉片角區(qū)失速位置流動機理。這其中有兩個文獻闡述了在一跨音速壓氣機動葉或者靜葉中靠近葉片吸力面靠后位置處角渦的形成，同時在另一篇文獻中展示了在一線性壓氣機葉柵中靠近角區(qū)失速位置處三維分離情況。在此之前，還沒有詳細介紹關(guān)于

4、彎葉片壓氣機葉柵中角渦以及吸力面分離的文獻。本文通過實驗和數(shù)值模擬揭示了彎葉片壓氣機葉柵三維流場，尤其是角區(qū)失速位置。關(guān)于彎葉片二次流和角區(qū)位置的實驗和數(shù)值模擬結(jié)果都是與直葉片進行比較。數(shù)值模擬結(jié)果是用來初略獲得葉片和邊壁表面角區(qū)的流動機理。同時本文還詳細研究了進口氣流角對角區(qū)失速的影響。原文下一部分詳細解釋了實驗建立過程，在此不過多敘述，僅把重要參數(shù)給出。測量使用三孔探針測量，葉片表面以及端壁采用表面油膜法觀察流動。葉型采用NACA65葉型，葉柵共七個葉片，測量只采用中間流道，具體參數(shù)詳見表1，葉片擴散系數(shù)大約為0.4，為了考察進口氣流角對二次流以及角區(qū)失速的影響，采用44.1°，

5、47.1°和50.1°三種進口氣流角。進口流速60m/s，雷諾數(shù)2.2×105。表1 葉柵幾何參數(shù)葉柵葉型NACA65安裝角(度)32.2弦長C(mm)52.8葉型彎角(度)30.1稠度1.08展弦比2.3圖1展示了彎葉片葉柵的外形。2 數(shù)值模擬步驟數(shù)值模擬分析使用的是基于雷諾時均N-S方程和帶有壁面函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)模型的內(nèi)部代碼?？刂品匠滩捎糜邢摅w積法進行求解，對對流通量采用三階迎風(fēng)格式，擴散通量采用二階中心差分格式。時間積分采用二階顯格式。在進口邊界，總壓、總溫沿徑向分布情況以及進口氣流角都是固定的。出口邊界固定靜壓。進口氣流角分別設(shè)定為42.1，44.1，47.1

6、，50.1和52.1度。采用標(biāo)準(zhǔn)H型網(wǎng)格，三維計算所用網(wǎng)格周向40個網(wǎng)格節(jié)點，徑向40個節(jié)點，軸向124個節(jié)點，總網(wǎng)格數(shù)200,000。圖1 彎葉片葉柵的外形3 結(jié)果和討論3.1 實驗與數(shù)值模擬結(jié)果分析圖2所示為在設(shè)計進口氣流角（47.1度）下，直葉片和彎葉片吸力面以及端壁表面上得到的實驗流線和數(shù)值模擬極限流線的對比，其中實驗結(jié)果是通過表面油膜法得到的。實驗數(shù)據(jù)顯示出在葉片吸力面和端壁表面都有角區(qū)失速團。數(shù)值模擬結(jié)果也顯示在葉片流道靠后位置有角區(qū)失速。數(shù)值結(jié)果與實驗結(jié)果是相吻合的。從葉片吸力面的實驗結(jié)果可以看出，在從前緣向下游靠近60%弦長處，存在一個層流分離泡。然而，在數(shù)值模擬結(jié)果中卻沒有，

7、原因是在計算過程中流動是被假定為完全的湍流。(a) 直葉片(b) 彎葉片圖2 表面油膜法實驗結(jié)果和壁面極限流線（）圖3所示為在葉片尾緣后50%弦長處，總壓損失系數(shù)沿徑向分布規(guī)律的測量和數(shù)值模擬結(jié)果對比。在實驗結(jié)果中，兩種葉片的總壓損失主要集中在25%到50%葉高處。在靠近端壁處，測量結(jié)果中彎葉片的總壓損失是較直葉片小的，但是，彎葉片和直葉片在大約10%葉高處損失基本相等。數(shù)值模擬結(jié)果的總壓損失系數(shù)相比較測量結(jié)果要小。測量和計算結(jié)果在數(shù)值上是不同的，但是他們的數(shù)值走勢是相同的。彎葉片在靠近端壁處對于減小二次流損失的影響已經(jīng)在文獻1和4中闡述過了。圖4所示為折轉(zhuǎn)角沿徑向分布規(guī)律的測量和計算結(jié)果對比

8、圖。兩種分布在數(shù)值上是吻合的，并且在實驗和計算結(jié)果中，過轉(zhuǎn)和欠轉(zhuǎn)出現(xiàn)在約為10%葉高處，原因在于二次流動。彎葉片能夠控制端壁邊界層內(nèi)的二次流，同時在靠近端壁處的欠轉(zhuǎn)情況也得到好轉(zhuǎn)。圖3 周向質(zhì)量平均總壓損失系數(shù)對比圖（，）圖4 周向質(zhì)量平均折轉(zhuǎn)角對比圖（，）圖5中一系列圖片所示為三個不同截面，葉片流道靠后位置（）處周向湍動能和湍動度的分布情況。測量與數(shù)值模擬結(jié)果在數(shù)值上是吻合的。在葉片吸力面和壓力面的湍動度測量盡可能使用單一熱線探針。湍動度反映了流動速度波動情況，并且在渦形成的地方流速波動越明顯。因此，在湍動度與總壓損失之間存在某種聯(lián)系?？拷~片吸力面的湍動度較壓力面高。直葉片在50%葉高處湍

9、動度與彎葉片差不多一樣。隨著不斷向端壁靠近，直葉片的湍動度要比彎葉片的高。顯然，通過彎葉片的設(shè)計，在吸力面和端壁的湍動度被抑制，并且總壓損失也降低了。3.2 彎葉片壓氣機葉柵的影響圖6所示為數(shù)值模擬得到的直葉片和彎葉片的極限流線。從圖中我們也可以看到分離點和分離線，靠近端壁處的分離點標(biāo)志著分離的起始。角區(qū)失速團聚集在靠近端壁的吸力面處。由于角區(qū)失速的作用，主要流動區(qū)域在葉片流道靠后位置被壓縮，變得狹窄。彎葉片分離點在流道中的位置較直葉片提前了，但是，彎圖5 三個不同截面下沿周向的測量湍動度及計算下的湍動能的對比圖，葉片的主要流動區(qū)域較直葉片要寬，因為彎葉片的分離區(qū)域更小一些。圖6 計算得到的吸

10、力面極限流線圖（）圖7所示為數(shù)值模擬得到的尾緣后50%弦長處軸向速度密度比（AVDR）沿徑向分布規(guī)律。在徑向20%至50%部分內(nèi)，直葉片的AVDR較彎葉片要高，原因在于二次流動以及在葉片流道靠后位置的相關(guān)角區(qū)失速的不斷增強。從數(shù)值結(jié)果中可以觀察到在直葉片角區(qū)失速位置存在一個強回流，并且靠近端壁處的AVDR也更小。圖7 軸向速度密度比（AVDR）沿徑向分布規(guī)律，（）圖8中比較了計算得到的4%和50%兩個截面下直葉片和彎葉片表面等熵馬赫數(shù)。在4%截面的葉片尾緣處，直葉片氣動載荷較彎葉片要高。在直葉片角區(qū)失速位置有更強的回流產(chǎn)生，因為在葉片尾緣處從壓力面指向吸力面的壓力梯度更大。由于彎的影響，彎葉片

11、在端壁處的氣動載荷有一定的降低，但是也遵循彎葉片端壁處損失較直葉片低的規(guī)律。彎葉片在端壁處葉片載荷降低的這種現(xiàn)象在壓氣機和渦輪中都有文獻提出。(a) 相對葉高z/H=0.04(b) 相對葉高z/H=0.5圖8 兩個不同截面下等熵馬赫數(shù)的分布情況（）圖9所示為數(shù)值模擬下得到的尾緣后50%弦長處擴散系數(shù)沿徑向分布規(guī)律。直葉片靠近端壁區(qū)域，擴散系數(shù)可以達到0.5甚至更高，同時也發(fā)現(xiàn)直葉片端壁葉片載荷更高，而彎葉片的擴散系數(shù)是低的。擴散系數(shù)的減小意味著端壁葉片負荷的降低，而彎葉片的影響能夠削弱端壁處葉片載荷。彎葉片在10%葉高處擴散系數(shù)有所提高，原因在于彎葉片能夠促進端壁邊界層低能流體流向中間區(qū)域。圖

12、9 擴散系數(shù)(DF)沿徑向分布規(guī)律（）在圖10中，展示了三個沿葉高截面4%，9%和50%處計算得到的總壓損失圖10 三個不同截面上總壓損失系數(shù)沿流向的分布（）系數(shù)隨軸向分布規(guī)律。在4%截面上，從前緣到軸向弦長70%區(qū)間內(nèi)，彎葉片的總壓損失系數(shù)持續(xù)上升，隨后從70%軸向弦長開始逐漸降低。在9%葉高處截面上，彎葉片的損失從前緣至尾緣一直在上升。這些彎葉片的端壁損失數(shù)值模擬結(jié)果表明，葉片在端壁區(qū)域的載荷變小了，并且在端壁處的二次流動和角區(qū)失速情況增強了，這主要是由于存在于端壁邊界層內(nèi)的低能流體沿流向不斷向中徑處轉(zhuǎn)移引起的。在本次研究中，低能流體從端壁轉(zhuǎn)移到大約沿葉高10%截面處。在中徑（50%）處的

13、損失分布情況表明，彎葉片的葉型損失較直葉片小。然而Breugelmans等人研究結(jié)果表明彎葉片能夠使端壁的損失降低，而中徑處的損失提高。計算得到的彎葉片中徑處的損失并沒有提高是由于葉片的展弦比不同引起的。在端壁處，靠近彎葉片前緣處總壓損失是升高的（圖10(a)），原因在于主流在端壁區(qū)域是正攻角。圖11展示了前緣上游3%軸向弦長處周向質(zhì)量平均下的攻角沿徑向分布規(guī)律。在彎葉片的端壁處，攻角提高了大約2度。圖12所示為數(shù)值模擬下的直葉片和彎葉片端壁處的極限流線。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，彎葉片的前緣鞍點（Sb），較直葉片前緣鞍點（Ss）處在壓力面?zhèn)取．?dāng)來流處于正攻角時，葉片載荷增加，同時也會引起邊界層的發(fā)展

14、。當(dāng)損失不斷增加的時候，流動分離就會產(chǎn)生，葉型損失也會增大，但這都取決于流動分離的程度。(a) 直葉片(b) 彎葉片圖11 周向質(zhì)量平均下的攻角沿徑向分布，圖12 計算得到端壁處流線圖（）3.3 角區(qū)失速的結(jié)構(gòu)為了觀察到靠近端壁處角區(qū)失速位置內(nèi)的漩渦結(jié)構(gòu)，數(shù)值模擬中的質(zhì)點跡線法應(yīng)運而生。圖13和圖14展示了在設(shè)計進口氣流角下，直葉片和彎葉片靠近端壁處的質(zhì)點跡線。在直葉片流場內(nèi)，由于二次流的作用，吸力面的端壁邊界層向中徑處卷起。直葉片靠后位置的高負荷作用使得引起角區(qū)內(nèi)更強的回流。根據(jù)圖13所示，回流能夠清晰的展示出在葉片尾緣位置，壓力面的質(zhì)點跡線向吸力面卷起。數(shù)值模擬結(jié)果表明在角區(qū)失速區(qū)域存在兩

15、個對旋渦，這兩個渦擁有同一個正交于端壁面的渦核。這兩個渦位于距端壁90%葉高、靠近尾緣的位置，角區(qū)內(nèi)的漩渦結(jié)構(gòu)在圖15中展示。這兩個渦事實上是一個渦的兩個分支，這也在Hah和Loelbach做過的類似的工作中有所討論。圖13 計算得到的直葉片表面和端壁位置流線圖（）圖14 計算得到的彎葉片表面和端壁位置流線圖（）圖15 角區(qū)內(nèi)環(huán)渦拓撲結(jié)構(gòu)彎葉片端壁處葉片載荷較直葉片小，彎葉片靠近吸力面的質(zhì)點跡線的結(jié)構(gòu)與直葉片的非常相似，但是在尾緣處壓力面質(zhì)點跡線沒有向吸力面卷起。三維流場顯示，彎葉片角區(qū)吸力面位置存在一個漩渦，并且這個更小的臨近尾緣的渦在直葉片中并沒有形成。這些漩渦結(jié)構(gòu)與圖5中所示的測量近端壁

16、湍動度是有關(guān)系的。在設(shè)計進口氣流角下，直葉片和彎葉片尾緣處側(cè)壁表面的表面油膜法實驗結(jié)果在圖16中已經(jīng)給出了。從圖中可以看出只有在直葉片中才有尾緣處由壓力面向吸力面卷起的漩渦。尾緣下游的流動情況顯示直葉片出口氣流角較彎葉片大。彎葉片中，尾緣端壁處從壓力面指向吸力面的強回流也沒有出現(xiàn)在角區(qū)位置。從實驗結(jié)果可以看出，彎葉片角區(qū)內(nèi)渦的產(chǎn)生弱于直葉片中，因為在端壁靠后位置，彎葉片的負荷降低了。(a) 直葉片(b) 彎葉片圖16 直葉片和彎葉片尾緣處側(cè)壁表面的表面油膜法結(jié)果（）3.4 攻角的影響為了研究角區(qū)失速對葉片負荷的影響，在進口氣流角52.1度下近端壁直葉片的質(zhì)點跡線在圖17中給出了。在更高的葉片負

17、荷下渦的結(jié)構(gòu)更加清晰，能看到兩個對漩渦在角區(qū)，一個渦在尾緣下游10%軸線弦長處。兩種氣流角下角區(qū)流場相似，但52.1度氣流角下吸力面渦的存在更靠上游，并且回流更嚴(yán)重。當(dāng)氣動載荷增加時，在三維流場中形成了三個渦，其中一個在吸力面大約80%弦長處，另兩個在近尾緣處。圖17 計算得到的直葉片表面和端壁近壁流線，在進口氣流角52.1度下近端壁彎葉片的質(zhì)點跡線在圖18中給出了。隨著負荷增加，角區(qū)失速區(qū)域也增加了。彎葉片中，在近端壁角區(qū)位置沒有形成單個旋渦，大漩渦存在于距端壁15%葉高處，壓力面尾緣下游10%弦長處存在一個漩渦。同樣的，壓力面卷向吸力面的漩渦也不存在，近端壁角區(qū)回流變?nèi)?。?dāng)氣動載荷增加的時

18、候，前緣分離泡存在于吸力面近壁面處，這是近壁面處正攻角的作用引起的。因此，在彎葉片三維流場中近壁面處形成了三個漩渦。圖18 計算得到的彎葉片表面和端壁近壁流線，圖19所示為高負荷下近尾緣處側(cè)壁表面的表面油膜法實驗結(jié)果。從圖中可以看到近尾緣處從壓力面卷向吸力面的強回流區(qū)。圖20所示為不同進口氣流角下的總壓損失系數(shù)。計算結(jié)果顯示，在設(shè)計進口角下彎葉片總損失能夠減小4.2%，在52.1度進口角下減小13.5%。當(dāng)葉片載荷不斷增加的時候，彎葉片的作用越明顯。圖19 高負荷下近尾緣處側(cè)壁表面的表面油膜法實驗結(jié)果圖20 不同安裝角下總壓損失系數(shù)對比圖4 結(jié)論為了更好的理解三維流場，尤其是彎葉片壓氣機葉柵中的角區(qū)失速現(xiàn)象，本文進行了詳細的數(shù)值模擬和實驗研究。本文所用數(shù)值模擬方法采用的是基于雷諾時均N-S方程以及帶有壁面函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)湍流模型的內(nèi)部代碼，其結(jié)果與實驗結(jié)果進行比對，從定性分析的角度，數(shù)值模擬的結(jié)果與實驗測量結(jié)果吻合的很好。彎葉片的實驗和數(shù)值結(jié)果都是