端壁造型對(duì)渦輪葉柵流場(chǎng)的影響

端壁造型對(duì)渦輪葉柵流場(chǎng)的影響

1燃油發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)模型非軸對(duì)稱端壁形狀是先進(jìn)的車輪葉片二次血流控制技術(shù)，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。從20世紀(jì)九十年代初國(guó)外的一些學(xué)者就開始了這方面的研究工作,1981年KopperFC等人敘述了非軸對(duì)稱端壁在控制二次流方面的作用。隨后更多的學(xué)者開展了這一領(lǐng)域的研究工作,AtkinsMJ,RoseMG等采用數(shù)值方法研究了軸流式燃?xì)鉁u輪非軸對(duì)稱端壁造型對(duì)二次流的影響,結(jié)果表明采用這種技術(shù)能夠在一定程度上減少二次流損失。Durham大學(xué)的IngramGL等人對(duì)此技術(shù)進(jìn)行了全面深入的研究,取得了重要的研究成果。目前,通過(guò)Durham大學(xué)和羅-羅公司的合作研究,已將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于下一代的超大型客機(jī)A380發(fā)動(dòng)機(jī)上。Rose等在羅-羅公司Trent500發(fā)動(dòng)機(jī)高壓渦輪模型中使用三維非對(duì)稱端壁,使級(jí)效率增加了0.59±0.25%。近年來(lái),國(guó)內(nèi)的一些專家學(xué)者也開始了這方面的研究工作。2005年李國(guó)君等人闡述了一種非軸對(duì)稱端壁的造型方法,其利用三角函數(shù)構(gòu)建了非軸對(duì)稱的葉柵端壁型面,并通過(guò)求解三維時(shí)均可壓縮N-S方程,對(duì)構(gòu)建的具有非軸對(duì)稱端壁的跨聲速直列葉柵進(jìn)行了數(shù)值研究。結(jié)果表明:采用非軸對(duì)稱端壁可以有效地降低葉柵二次流損失,采用單峰幅值控制函數(shù)時(shí),最大幅值約占5%葉高為宜。后來(lái),李國(guó)君等又建立了一種根據(jù)葉柵壓力面和吸力面之間壓差確定葉柵端壁軸向凸凹幅值的非軸對(duì)稱端壁成型方法,并利用該方法對(duì)一后加載環(huán)形葉柵進(jìn)行了端壁造型。通過(guò)數(shù)值模擬分析討論了所建立的非軸對(duì)稱端壁成型方法對(duì)于葉柵氣動(dòng)特性和流場(chǎng)的影響。結(jié)果表明:上述非軸對(duì)稱端壁成型方法能夠有效地降低葉柵流道內(nèi)部的二次流損失,改善葉柵出口氣流角。黃洪雁等采用數(shù)值模擬的手段對(duì)幾種具有非軸對(duì)稱端壁的大折轉(zhuǎn)角渦輪葉柵內(nèi)的流動(dòng)情況進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:在具有非軸對(duì)稱端壁的渦輪葉柵中,橫向壓力梯度不是促使通道渦形成的主要原因。高增珣等應(yīng)用NURBS曲面技術(shù)實(shí)現(xiàn)了渦輪非軸對(duì)稱端壁的參數(shù)化幾何造型,并且以iSIGHT商業(yè)軟件為優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái),結(jié)合NUMECA軟件進(jìn)行數(shù)值模擬,構(gòu)建了非軸對(duì)稱端壁的氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。應(yīng)用該系統(tǒng)對(duì)一渦輪葉柵下端壁進(jìn)行了非軸對(duì)稱端壁造型的氣動(dòng)最優(yōu)化設(shè)計(jì),取得了良好的效果。本文分別對(duì)常規(guī)葉柵、下端壁上凸和下端壁下凹葉柵的流場(chǎng)進(jìn)行了詳盡的數(shù)值模擬,通過(guò)將下端壁上凸和下端壁下凹葉柵中的通道渦的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程與常規(guī)葉柵進(jìn)行對(duì)比分析,對(duì)非軸對(duì)稱端壁造型減小渦輪葉柵二次流損失的機(jī)理進(jìn)行了初步的探討。2流道內(nèi)部網(wǎng)格結(jié)構(gòu)計(jì)算中所采用的葉柵的幾何參數(shù)如下:葉型弦長(zhǎng)為40.0mm,軸向弦長(zhǎng)為36.98mm,柵距為29.14mm,葉高為45mm,幾何進(jìn)氣角為50.5°,幾何出氣角為59.0°。本文針對(duì)上述葉柵設(shè)計(jì)了兩種形式的非軸對(duì)稱端壁,一為下端壁上凸,一為下端壁下凹。非軸對(duì)稱端壁造型均在葉柵流道內(nèi)部,在葉柵的進(jìn)、出口段,下端壁都是平直的。下端壁上凸(或下凹)的最高點(diǎn)(或最低點(diǎn))在軸向和周向均位于葉柵流道的中間,下端壁上凸(或下凹)的最大高度均為3.0mm。圖1給出了兩種形式的非軸對(duì)稱下端壁的實(shí)體圖。常規(guī)葉柵、下端壁上凸葉柵和下端壁下凹葉柵的計(jì)算網(wǎng)格均采用H型網(wǎng)格,I×J×K分布均為121×81×257,其中I為沿葉展方向,J為節(jié)距方向,K為流動(dòng)方向。網(wǎng)格總數(shù)約為252萬(wàn)。為了能夠捕捉到端壁處二次流流動(dòng)的細(xì)節(jié),網(wǎng)格在葉柵的端壁處和葉片表面進(jìn)行了適當(dāng)?shù)募用?。上述三種葉柵在計(jì)算時(shí)所使用的邊界條件相同,均為:葉柵進(jìn)口給定總溫為350.0K,總壓為120kPa,進(jìn)口氣流角為45°。出口給定背壓為101.3kPa。本文在計(jì)算時(shí)選擇中心差分格式和Baldwin-Lomax代數(shù)湍流模型,為了加快計(jì)算的收斂速度,采用了多重網(wǎng)格法和隱式殘差平均法。經(jīng)過(guò)2000多個(gè)迭代步殘差收斂到10-4以下,進(jìn)、出口質(zhì)量流量之差低于0.05%。3葉柵端壁處的極限流分布及對(duì)總壓損失的影響圖2給出了常規(guī)葉柵、下端壁上凸葉柵和下端壁下凹葉柵的根部葉片表面壓力分布對(duì)比?？梢钥闯?在下端壁上凸葉柵的根部,距葉片前緣20%葉型軸向?qū)挾鹊姆秶鷥?nèi),葉片的載荷與常規(guī)葉柵相比有所減小,此后葉片的載荷與常規(guī)葉柵相比顯著的增大。也就是說(shuō),下端壁上凸葉柵根部的葉片載荷分布與常規(guī)葉柵相比具有顯著的后加載性,葉型載荷置后一般會(huì)使端壁處的橫向流動(dòng)失去充分發(fā)展的機(jī)會(huì),對(duì)于減小葉柵端壁處的二次流損失是有利的。關(guān)于這一點(diǎn)本文后面會(huì)結(jié)合葉柵下端壁處的極限流線圖和葉柵流道中近似與主流方向垂直的若干個(gè)截面上的二次流流譜圖給出更為詳盡的對(duì)比分析和討論;在下端壁下凹葉柵的根部,與下端壁上凸時(shí)恰好相反,距葉片前緣20%葉型軸向?qū)挾鹊姆秶鷥?nèi),葉片的載荷與常規(guī)葉柵相比有所增大,此后葉片的載荷與常規(guī)葉柵相比顯著地減小。前緣20%軸向弦長(zhǎng)范圍內(nèi)負(fù)荷的增加,使得流道局部二次流動(dòng)加強(qiáng),從這個(gè)方面看此處二次流動(dòng)的加強(qiáng)對(duì)整個(gè)流道中二次流的發(fā)展不利。也就是說(shuō),下端壁下凹葉柵根部的葉片載荷分布與常規(guī)葉柵相比具有顯著的前加載性。葉型載荷分布的前加載性對(duì)于減小葉柵端壁處的二次流損失是不利的。圖3,4,5分別給出了常規(guī)葉柵、下端壁上凸葉柵和下端壁下凹葉柵的下端壁處的極限流線圖,可以看出:下端壁上凸時(shí),由于葉柵根部葉片載荷分布的后加載性,馬蹄渦的壓力面分支的分離線S1和吸力面分支的分離線S2與葉片吸力面的交點(diǎn)與常規(guī)葉柵相比更為接近葉型的尾緣,說(shuō)明下端壁上凸后下端壁處的橫向流動(dòng)被顯著地削弱了。另外,根據(jù)端壁處馬蹄渦吸、壓力面分支分離線的走向可以大致推斷馬蹄渦吸、壓力面分支在空間的走向。那么下端壁上凸時(shí),馬蹄渦的壓力面分支分離線S1與葉片吸力面的交點(diǎn)與常規(guī)葉柵相比更為接近葉型的尾緣,說(shuō)明下端壁上凸時(shí)馬蹄渦的壓力面分支到達(dá)葉片的吸力面比常規(guī)葉柵“晚”。馬蹄渦的壓力面分支是通道渦的主要來(lái)源,當(dāng)其運(yùn)動(dòng)到葉片的吸力面后會(huì)迅速地發(fā)展成通道渦,所以馬蹄渦的壓力面分支到達(dá)葉片的吸力面較“晚”就意味著通道渦會(huì)獲得較少的充分發(fā)展的“機(jī)會(huì)”。也就是說(shuō),在葉柵的出口處通道渦的強(qiáng)度和尺度會(huì)有所削弱;下端壁下凹時(shí),由于葉柵根部葉片載荷分布的前加載性,馬蹄渦的壓力面分支的分離線S1和吸力面分支的分離線S2與葉片吸力面的交點(diǎn)與常規(guī)葉柵相比更為接近葉型的前緣,說(shuō)明下端壁下凹后下端壁處的橫向流動(dòng)增強(qiáng)了。與下端壁上凸時(shí)相反,下端壁下凹后馬蹄渦的壓力面分支到達(dá)葉片的吸力面較“早”意味著通道渦會(huì)獲得較多的充分發(fā)展的“機(jī)會(huì)”。圖6給出了下端壁下凹時(shí),下端壁與吸力面所形成的角區(qū)內(nèi)的漩渦結(jié)構(gòu)的放大圖;當(dāng)下端壁上凸時(shí),在葉柵的根部距葉片前緣20%葉型軸向?qū)挾鹊姆秶鷥?nèi),葉片的載荷與常規(guī)葉柵相比有所減小,也就是說(shuō),作用在下端壁處馬蹄渦的壓力面分支上的橫向壓力梯度有所減小,所以與常規(guī)葉柵相比下端壁處馬蹄渦的壓力面分支距葉片壓力面更近,其尺度和強(qiáng)度也比常規(guī)葉柵小許多,吸力面分支在壓力面分支的卷吸作用下,已經(jīng)衰減得難以在計(jì)算中捕捉到。在此截面上,三種葉柵端壁處的總壓損失的主要來(lái)源為端壁上的來(lái)流附面層,馬蹄渦的吸、壓力面分支帶來(lái)的損失很小。圖7給出了下端壁下凹時(shí)下端壁與葉片吸力面所形成的角區(qū)內(nèi)的漩渦結(jié)構(gòu)的放大圖;下端壁上凸時(shí),下端壁處馬蹄渦的壓力面分支只是略微地向葉片的吸力面靠攏了一點(diǎn),引人注意的是:其強(qiáng)度和尺度不是在增大,而是在衰減;在此截面上,三種葉柵端壁處的總壓損失的主要來(lái)源依然為端壁上的來(lái)流附面層。圖8依次給出了常規(guī)葉柵、下端壁上凸葉柵和下端壁下凹葉柵的出口截面上的總壓等值線圖,該出口截面與葉柵軸向垂直且距葉片前緣為125%葉型軸向?qū)挾取？梢钥闯?當(dāng)下端壁上凸時(shí),下通道渦所造成的高損失區(qū)的核心處的總壓損失比常規(guī)葉柵下通道渦的核心處的總壓損失高,但下通道渦所造成的高損失區(qū)在葉展方向和節(jié)距方向所占據(jù)的范圍比常規(guī)葉柵小。上通道渦所造成的高損失區(qū)的核心處的總壓損失與常規(guī)葉柵上通道渦的核心處的總壓損失相當(dāng),但上通道渦所造成的高損失區(qū)在葉展方向所占據(jù)的范圍比常規(guī)葉柵小。在葉展中部,由尾跡所造成的高損失區(qū)的寬度小于常規(guī)葉柵;當(dāng)下端壁下凹時(shí),上、下通道渦所造成的高損失區(qū)與常規(guī)葉柵相比更加遠(yuǎn)離上、下端壁,高損失區(qū)的核心處的總壓損失高于常規(guī)葉柵。另外,上、下通道渦所造成的高損失區(qū)在葉展方向和節(jié)距方向所占據(jù)的范圍也比常規(guī)葉柵大。由于更多的端壁低能流體被上、下通道渦輸運(yùn)至葉展中部,葉展中部的高損失區(qū)在節(jié)距方向所占據(jù)的范圍也大于常規(guī)葉柵。圖9給出了三種葉柵在上述出口截面上的節(jié)距平均總壓損失系數(shù)沿葉展方向的分布,對(duì)三種葉柵的總壓損失曲線在葉展方向進(jìn)行積分,可以得到:常規(guī)葉柵的總損失為1.518×10-2,下端壁上凸葉柵的總損失為1.454×10-2,下端壁下凹葉柵的總損失為1.699×10-2。下端壁上凸葉柵出口的總損失比常規(guī)葉柵下降了4.2%,下端壁下凹葉柵出口的總損失比常規(guī)葉柵增加了11.9%。4壓力面為紅葉柵底部結(jié)構(gòu)的高效低葉格分離線(1)當(dāng)下端壁上凸時(shí),葉柵根部葉片載荷分布與常規(guī)葉柵相比具有顯著的后加載性;當(dāng)下端壁下凹時(shí),葉柵根部葉片載荷分布與常規(guī)葉柵相比具有顯著的前加載性。(2)當(dāng)下端壁上凸時(shí),馬蹄渦的壓力面分支的分離線S1和吸力面分支的分離線S2與葉片吸力面的交點(diǎn)與常規(guī)葉柵相比更為接近葉型的尾緣;下端壁下凹時(shí),由于葉柵根部葉片載荷分布的前加載性,馬蹄渦的壓力面分支的分離線S1和吸力面分支的分離線S2與葉片吸力面的交點(diǎn)與常規(guī)葉柵相比更為接近葉型的前緣。(3)當(dāng)下端壁上凸時(shí),由于下通道渦形成得比常規(guī)葉柵和下端壁下凹葉柵都“晚”,失去了充分發(fā)展的“時(shí)機(jī)