低雷诺数下增压级内部流动机理及调控研究

作     者：王宇萌 

作者单位：华北电力大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：卢新根;阳诚武

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080103[工学-流体力学] 082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：增压级 高亚音叶型 低雷诺数 附面层抽吸 数值计算 

摘      要：对于高空巡航的动力装置,入口气流的压力和密度较地面条件显著降低,使得表征压缩系统雷诺数的叶弦雷诺数处于较低水平,叶表附面层内的低能流体在较厚的附面层和逆压梯度的共同作用下更易分离,导致增压级的性能和稳定裕度严重退化,进一步影响压缩系统和发动机的性能。针对这一问题,本文通过采用CFD数值方法开展了低雷诺数条件下高亚音叶型和1.5级增压级附面层流动机理及抽吸调控方法研究,为低雷诺数下增压级流动调控提供理论支撑。首先针对与增压级叶型流动特征相似的典型高亚音叶型,在不同雷诺数和攻角下进行了叶片附面层流动特征分析,并开展了附面层抽吸调控对叶型流动和性能的影响机制研究。随着雷诺数降低,叶片吸力面分离泡长度增加,附面层增厚,通道内流动堵塞和尾迹掺混加剧,叶片损失增加、气动性能恶化。在叶片吸力面分离点前采用附面层抽吸能够有效推迟流动分离,缩短分离泡长度,降低叶片损失;不同尺寸的抽吸槽均存在一个最佳抽吸流量,使得总压损失相对较低。低雷诺数条件下,抽吸调控后4°和9°攻角下叶片总压损失分别降低了33.9%和70.1%;负攻角下,由于叶片吸力面载荷分布改变,导致抽吸调控后叶片损失反而升高,位于叶片吸力面的抽吸槽未能有效改善叶片性能。接着针对典型高空长航时发动机1.5级增压级,分析了低雷诺数条件下附面层流动特征,并探讨了附面层抽吸对增压级静子流动的调控效果和调控机制。由地面到20km高空,雷诺数降低了一个数量级,增压级峰值效率约降低3.76%,近失速点压比约降低3.6%,在静叶吸力面进行抽吸调控可以改善增压级的气动性能与稳定裕度,抽吸流量的大小会对增压级效率和裕度产生影响。增压级最高效率工况下,抽吸调控后静子吸力面近壁区流动得到改善,损失降低,但在部分工况和叶高下,由于抽吸槽位置和抽吸流量较小使得抽吸调控未取得较好的改善效果,反而因为静叶吸力面抽吸槽的凹坑扰动使得叶片通道内流动恶化。近失速点工况下,叶片通道内流动严重恶化,抽吸调控改善了叶根至叶中处的流动,使得损失降低;但在叶顶处,较小的抽吸流量未能改善近壁区流动,通道内流动进一步恶化,总压损失显著增大,抽吸调控未能明显改善近失速点工况下静叶的气动性能和流动。