工程分離流動(dòng)力學(xué)下篇

工程分離流動(dòng)力學(xué)下篇1第一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六采用墨跡法顯示壁面流譜。在上篇理論分析基礎(chǔ)上，探討間隙尺寸、葉片彎曲和氣流沖角對渦輪轉(zhuǎn)子葉柵壁面與截面流譜的影響，通過拓?fù)浞治?，獲取相應(yīng)的拓?fù)渑c旋渦結(jié)構(gòu)，從而闡述上述三個(gè)參數(shù)的變化對渦輪轉(zhuǎn)子流動(dòng)特性的影響。1、引言2第二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六2.實(shí)驗(yàn)葉柵模型直葉片葉柵

正彎葉片葉柵

反彎葉片葉柵

3第三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六a)直葉柵b)正彎葉柵c)反彎葉柵

葉片積迭線形狀

4第四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六葉片弦長葉高節(jié)距t=90mm節(jié)弦比t/b=0.763軸向弦長B=118.5mm展弦比h/b=0.913前緣圓半徑尾緣圓半徑葉片幾何進(jìn)氣角（從軸向算起）=50°葉片幾何出氣角（從軸向算起）=-63°葉片幾何折轉(zhuǎn)角=113°葉片數(shù)N=6葉頂間隙

，2.5mm葉頂相對間隙

，0.023進(jìn)口總壓葉柵出口葉展中部馬赫數(shù)M=0.3基于弦長的雷諾數(shù)Re=8.3×105進(jìn)口邊界層厚度表一葉柵的幾何與氣動(dòng)參數(shù)

5第五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六圖1半球及其映像系統(tǒng)草圖具有頂部間隙葉柵橫截面流（或二次流）場中的奇點(diǎn)數(shù)目遵循的法則是：3、具有葉頂間隙葉柵流譜分析的拓?fù)浞▌t

6第六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六4、名義沖角下，間隙尺寸對拓?fù)渑c旋渦結(jié)構(gòu)的影響

=0.036=0.023圖2上端壁（有間隙側(cè)）壁面流動(dòng)顯示照片

4.1上端壁的流動(dòng)顯示與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由圖可見，在上端壁形成了以葉頂前緣雙鞍點(diǎn)分離以及圍繞葉頂吸力邊與壓力邊的分離線Ls與再附線Lr為特征的流譜。

依次為直、正彎和反彎葉柵

7第七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六圖3上端壁（有間隙側(cè)）壁面流場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（直彎葉柵）

在有間隙側(cè)端壁流場中有鞍點(diǎn)3個(gè)，附著結(jié)點(diǎn)2個(gè)，分離螺旋點(diǎn)1個(gè)。8第八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六=0.036=0.023圖4直葉片表面與下端壁流動(dòng)顯示照片

4.2下端壁與葉片表面流動(dòng)顯示與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)9第九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六=0.036=0.023圖5直葉片表面與下端壁的壁面流動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

9個(gè)鞍點(diǎn)4個(gè)附著結(jié)點(diǎn)4個(gè)分離結(jié)點(diǎn)1個(gè)分離螺旋點(diǎn)

=0.036=0.0235個(gè)鞍點(diǎn)2個(gè)附著結(jié)點(diǎn)3個(gè)分離結(jié)點(diǎn)10第十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六=0.036=0.023圖6具有葉頂間隙的渦輪直葉柵壁面流動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

12個(gè)鞍點(diǎn)6個(gè)附著結(jié)點(diǎn)4個(gè)分離結(jié)點(diǎn)2個(gè)分離螺旋點(diǎn)

8個(gè)鞍點(diǎn)4個(gè)附著結(jié)點(diǎn)3個(gè)分離結(jié)點(diǎn)1個(gè)分離螺旋點(diǎn)=0.036=0.02311第十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六=0.036,0.023圖7直葉柵30%相對軸向弦長橫截面二次流場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

4.3橫截面二次流動(dòng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在該截面上有2個(gè)鞍點(diǎn)，2個(gè)半鞍點(diǎn)，2個(gè)附著結(jié)點(diǎn)，1個(gè)半分離結(jié)點(diǎn)和1個(gè)半附著結(jié)點(diǎn)。

12第十二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六=0.023圖8直葉柵出口附近橫截面二次流場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

鞍點(diǎn)3個(gè)，結(jié)點(diǎn)6個(gè)，半鞍點(diǎn)9個(gè)，半結(jié)點(diǎn)3個(gè)，

=0.023鞍點(diǎn)3個(gè)，結(jié)點(diǎn)4個(gè)，半鞍點(diǎn)5個(gè)，半結(jié)點(diǎn)3個(gè)，

13第十三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六4.4旋渦結(jié)構(gòu)的推測=0.036=0.023圖9具葉頂間隙常規(guī)直葉柵的旋渦結(jié)構(gòu)

七個(gè)集中渦系：1上端壁壓力邊馬蹄渦2上端壁吸力邊馬蹄渦3下端壁馬蹄渦4上通道渦5下通道渦6葉頂分離渦7泄漏渦九大集中渦系：1上端壁壓力邊馬蹄渦2上端壁吸力邊馬蹄渦3下端壁馬蹄渦4上通道渦5下通道渦6下端壁吸力邊壁角渦7葉頂分離渦8葉頂二次渦9泄漏渦=0.036=0.023較大間隙下較小間隙下14第十四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六4.5間隙尺寸對奇點(diǎn)類型與數(shù)量的影響奇點(diǎn)類型鞍點(diǎn)附著結(jié)點(diǎn)分離結(jié)點(diǎn)分離螺旋點(diǎn)總數(shù)葉片類型相對間隙直葉柵反彎葉柵=0.0361264224=0.023843116正彎葉柵=0.0361053220=0.023632112表1具葉頂間隙葉柵壁面流動(dòng)奇點(diǎn)類型、數(shù)目簡表

如圖2至5表示的那樣，在兩種間隙下，由于泄漏流量主要發(fā)生在朝向外端壁的方向，相對間隙的大小并不影響上端壁的壁面流譜，上端壁的壁面流動(dòng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本相同，即了除了奇點(diǎn)的位置略有差別外，奇點(diǎn)的類型、數(shù)量及分布大致相同。

由表1可以看出，在較大間隙下葉柵壁面流動(dòng)中的奇點(diǎn)數(shù)目大于較小間隙。說明較大間隙葉柵內(nèi)流場比較小間隙混亂得多，氣體繞流較大間隙葉柵必然引起較大的熵增。15第十五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六

奇點(diǎn)類型鞍點(diǎn)結(jié)點(diǎn)半鞍點(diǎn)半結(jié)點(diǎn)葉片類型相對間隙直葉柵反彎葉柵=0.0363693=0.0233453正彎葉柵=0.0362582=0.0232342表2具葉頂間隙葉柵出口附近橫截面二次流場奇點(diǎn)類型、數(shù)目簡表

兩種間隙下葉柵出口橫截面二次流場中奇點(diǎn)數(shù)目亦不相同，較大間隙下的奇點(diǎn)數(shù)目，特別是位于壁面上的半奇點(diǎn)的數(shù)目比較小間隙多50%。Lighthill的三維分離模式表明，壁面上的半奇點(diǎn)愈多，壁面剪切效應(yīng)愈顯著。較大間隙葉柵的壁面剪切效應(yīng)明鮮高于較小間隙，因此較大間隙葉柵壁面附近的摩擦損失遠(yuǎn)高于較小間隙葉柵。16第十六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六5葉片彎曲對拓?fù)渑c旋渦結(jié)構(gòu)的影響=0.036=0.023圖10正、反彎葉柵下端壁與葉片壁面流動(dòng)墨跡顯示照片

正彎葉柵反彎葉柵17第十七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六=0.036=0.023圖11正、反彎葉柵下端壁與葉片表面流動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

正彎葉柵反彎葉柵18第十八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六=0.023=0.036圖12正彎葉柵接近出口橫截面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)19第十九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六=0.036=0.023圖13正、反彎葉柵旋渦結(jié)構(gòu)示意圖正彎葉柵

反彎葉柵

20第二十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六

在=0.036的條件下，葉片正彎消除了上通道渦分離線，即消除了上通道渦，使得葉柵壁面流場中的奇點(diǎn)總數(shù)由直葉片的24個(gè)減少至正彎葉片的20個(gè)，接近出口橫截面二次流場中的半奇點(diǎn)數(shù)由直葉片的12個(gè)減少至正彎葉片的10個(gè)。在=0.023的情況下，葉片正彎同樣消除了上通道渦分離線，這時(shí)在葉頂僅有二次渦分離線，并且該線起始于非奇點(diǎn)，葉頂泄漏流動(dòng)在吸力邊的分離為開式分離。類似地，葉片正彎導(dǎo)致葉柵壁面流場中奇點(diǎn)總數(shù)由直葉片的16個(gè)減少至正彎葉片的12個(gè)，接近出口橫截面二次流場中的半奇點(diǎn)總數(shù)由直葉片的8個(gè)減少至正彎葉片的6個(gè)。

概括地說：葉片反彎僅改變奇點(diǎn)發(fā)生的位置，奇點(diǎn)的類型與數(shù)目不變，亦即葉柵的拓?fù)渑c旋渦結(jié)構(gòu)基本不變。葉片正彎消除了上通道渦分離線，亦即消除了上通道渦，并減少了葉柵壁面流場中奇點(diǎn)與橫截面二次流場中半奇點(diǎn)的數(shù)目。21第二十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六直葉柵

正彎葉柵

反彎葉柵

圖14沖角下上端壁壁面流動(dòng)顯示照片

6氣流沖角對拓?fù)渑c旋渦結(jié)構(gòu)的影響22第二十二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六圖15

沖角下圖上端壁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

除了奇點(diǎn)的位置、流動(dòng)分離范圍有差別外，20°沖角下三套葉柵上端壁壁面流譜中的奇點(diǎn)數(shù)量和類型與零沖角下的一致。與零沖角下三套葉柵上端壁的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較，在20°沖角下雙鞍點(diǎn)和的位置向葉柵上游和流道中部移動(dòng)，壓力邊與吸力邊馬蹄渦分離線的兩對分支圍繞的區(qū)域在垂直與來流的方向上擴(kuò)展，并且該兩對分支與環(huán)繞吸力邊向下游延伸的分離線的交匯點(diǎn)要移向上游。葉頂與流道對應(yīng)的上端壁上的極限流線都更趨向與壓力邊和吸力邊正交。

23第二十三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六圖16

沖角下直葉柵葉片表面與下端壁流動(dòng)顯示照片

24第二十四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六圖17沖角下直葉柵葉片表面與下端壁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

25第二十五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六圖18沖角下常規(guī)直葉柵旋渦結(jié)構(gòu)

26第二十六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六

從圖16-18，可以看出與相同間隙下零沖角直葉柵對比可見，正沖角引起葉片表面與下端壁流譜發(fā)生如下三點(diǎn)變化：第一，下端壁葉片前緣鞍點(diǎn)向葉柵上游及流道中部移動(dòng)，下端壁吸力面附近鞍點(diǎn)，鄰近葉頂吸力面上的鞍點(diǎn)以及葉頂鞍點(diǎn)也分別移向上游，這說明下端壁進(jìn)口馬蹄渦、上下通道渦和吸力面壁角渦以及葉頂分離渦和二次渦均在較上游位置發(fā)生，相同軸向弦長處旋渦強(qiáng)度增大。第二，上、下通道渦分離線大約在距前緣75%軸向弦長處相交，旋向相反的上、下通道渦在此位置匯合，發(fā)生劇烈的相互作用，渦能耗散損失劇烈增長。對于直葉柵的總流動(dòng)損失，在零沖角下上通道渦與泄漏渦相互作用損失在其中占主要比例，而在正沖角下上、下通道渦匯合產(chǎn)生的損失占主要部分。第三，由于上下通道渦分離線的相交，使得直葉柵壁面流場中的奇點(diǎn)總數(shù)由零沖角下的18個(gè)下降至16個(gè)，其中鞍點(diǎn)和分離結(jié)點(diǎn)各減少1個(gè)。27第二十七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六圖19沖角下正彎葉柵葉片表面與下端壁流動(dòng)顯示照片

28第二十八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六圖20沖角下正彎葉柵葉片表面與下端壁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

29第二十九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六圖21沖角下正彎葉柵旋渦結(jié)構(gòu)

20°沖角下正彎葉柵葉片表面和下端壁壁面流場中的奇點(diǎn)類型和數(shù)量與零沖角下的正彎葉柵相同，下端壁葉片前緣鞍點(diǎn)與吸力面附近鞍點(diǎn)發(fā)生的位置在本實(shí)驗(yàn)的六套葉柵中處于最上游，下端壁進(jìn)口馬蹄渦與下通道渦亦在葉柵的最上游形成（圖19~21）。下通道渦在距前緣30%相對軸向弦長處就爬升至大約位于葉展中部的零展向壓力梯度線附近，并沿該線方向卷吸運(yùn)動(dòng)向下游。由于葉片正彎消除了上通道渦，葉展中部區(qū)域不存在兩旋向相反渦系間的相互作用。

30第三十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六圖22沖角下反彎葉柵葉片表面與下端壁流動(dòng)顯示照片

31第三十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六圖23沖角下反彎葉柵葉片表面與下端壁拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

32第三十二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六圖24沖角下反彎葉柵旋渦結(jié)構(gòu)

在20°沖角下反彎葉柵下端壁與葉片表面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與直葉柵基本相同，即奇點(diǎn)的類型與數(shù)目相符，僅奇點(diǎn)發(fā)生的位置不同（圖22~24）。四個(gè)鞍點(diǎn)、、和位于零沖角直葉柵對應(yīng)鞍點(diǎn)的上游和20°沖角直葉柵對應(yīng)鞍點(diǎn)的下游。上、下通道渦在尾緣上游相交，重合段長度小于20°沖角下直葉柵。33第三十三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期六7小結(jié)1．對于零沖角常規(guī)直葉柵，當(dāng)其葉頂相對間隙=0.036時(shí)，在柵內(nèi)形成了由24個(gè)奇點(diǎn)、9條分離線構(gòu)成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及由上端壁壓力邊與吸力邊馬蹄渦、葉頂壓力邊分離渦與吸力邊二次渦、泄漏渦、上下通道渦，下端壁進(jìn)口邊馬蹄渦