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基于等离子体激励的翼型和透平机流动控制机理研究

基于等离子体激励的翼型和透平机流动控制机理研究

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作者：张恒阳华中科技大学

学位级别：硕士

流动分离在工程问题中普遍存在,并且可能会对飞行器和流体机械的气动性能产生负面影响。因此,人们致力于研究和发展各种流动控制方法来减弱或消除流动分离导致的不利影响。交流电压介质阻挡放电等离子体激励器(Alternating-current diel... 详细信息

流动分离在工程问题中普遍存在,并且可能会对飞行器和流体机械的气动性能产生负面影响。因此,人们致力于研究和发展各种流动控制方法来减弱或消除流动分离导致的不利影响。交流电压介质阻挡放电等离子体激励器(Alternating-current dielectric barrier discharge plasma actuator,AC-DBD plasma actuator)作为一种新型主动流动控制方法,具有巨大的流动控制潜力。本文采用了大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES),研究了基于AC-DBD等离子体激励器的翼型和威尔斯透平机流动分离控制。第一,针对NACA 0015静止翼型的流动分离开展了流动控制研究。流动雷诺数为Re=7.6×10,翼型攻角分别为12°、16°和20°。在攻角为12°时,翼型处于轻度失速状态,研究发现等离子体激励取得了显著的流动控制效果,等离子体激励诱导的展向涡和其促进的湍流转捩两种机制共同支配着受控流动。另外,在16°和20°攻角时,翼型分别处于中度失速和深度失速,等离子体激励器同样可以控制流动分离,但控制效力有所下降。第二,针对相同雷诺数下的NACA 0015振荡翼型进行了流动控制研究。振荡翼型周围的基本流动为动态失速涡(Dynamic Stall Vortex,DSV)所支配。在翼型攻角增大的正行程中,等离子体激励延迟了第一个DSV的形成。另外,等离子体激励器对流动的影响在负行程中变得更明显,使升力迟滞环面积明显减小,并缓解了翼型的低头力矩。此外,通过对激励频率的研究发现,基于不同的判别准则,最佳激励频率并不唯一。而针对翼型振荡频率的研究表明,当翼型的振荡频率较小时,等离子体激励器的流动控制效力更强。第三,研究了威尔斯透平机旋转叶片在单向来流、固定转速下的流动分离控制。研究发现,等离子体激励对叶片展向中部的轻度失速有明显的抑制作用。然而,对于靠近叶尖的深度失速,由于存在间隙涡等复杂流动结构的影响,等离子体激励无法有效控制流动分离。但叶片上的整体流动分离区域在等离子体激励下显著减小,使叶片受到的切向力增大。此外,还考察了更小叶尖速比下的透平机流动分离控制,发现流动控制过程与大叶尖速比的情况相似,等离子体激励都是通过诱导的展向涡改变原有流动形态,对流动施加影响。

关键词： AC-DBD等离子体激励器威尔斯透平机主动流动控制

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