超高负荷扩压叶栅分离结构及其定常与非定常控制研究

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1、博士学位论文超高负荷扩压叶栅分离结构及其定常与非定常控制研究INVESTIGATIONONSEPARATIONSTRUCTUREANDITSSTEADY&UNSTEADYCONTROLINSUPERHIGHLYLOADEDCOMPRESSORCASCADE蔡乐哈尔滨工业大学2015年7月国内图书分类号：TK471学校代码：10213国际图书分类号：621.438密级：公开工学博士学位论文超高负荷扩压叶栅分离结构及其定常与非定常控制研究博士研究生：蔡乐导师：王松涛教授副导师：周逊教授申请学位：工学博士学科：动力机械及工程所在单位：能源科学与工程学院

2、答辩日期：2015年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TK471U.D.C:621.438DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringINVESTIGATIONONSEPARATIONSTRUCTUREANDITSSTEADY&UNSTEADYCONTROLINSUPERHIGHLYLOADEDCOMPRESSORCASCADECandidate:CaiLeSupervisor:Prof.WangSongtaoAssociateSupervisor:Prof.ZhouXu

3、nAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringSpecialty:PowerMachineandEngineeringAffiliation:EnergyScienceandEngineeringDateofDefence:July,2015Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology摘要摘要航空发动机对推重比不懈地追求引发了压气机领域的发展困境，即不断提升的负荷与不断加剧的分离流动之间存在着不可调和的矛盾。如何高效地实现负荷的大幅提

4、升是广大叶轮机械工作者努力追寻的目标。哈尔滨工业大学发动机气体动力研究中心独辟蹊径，提出了低反动度压气机设计理念。该理念通过增加动叶入口的正预旋降低反动度以释放动叶的扩压需求进而确保动叶能够高效、大幅地提高总压升，而总压升向静压升的转变则主要归结于基于流动控制的大折转角静叶栅中。因此该设计理念打破了传统的单纯依赖于叶栅流道的扩压模式，所倡导的是一种新的建立在流动控制基础之上的扩压过程。上述扩压理念的转变形成了本文的主要研究内容，即对低反动度高负荷扩压叶栅分离结构的控制研究。在进行分离流动的控制研究之前，本文首先细致分析了低反动度高负荷扩压叶栅流场

5、的分离结构，具体涵盖了从二维叶型到三维叶栅、从定常到非定常等不同的研究内容。在对低反动度高负荷二维叶栅流场结构的分析过程中发现，设计状态下的流场中同时存在吸力面分离涡与尾缘脱落涡是其区别于常规负荷扩压叶栅流场的显著特征。这一特征在二维叶型向三维叶栅过渡的过程中会演绎出怎样复杂的流动结构是无法预测的，为此本文随后开展了常规高负荷三维扩压叶栅流场结构的研究，以期为后续的低反动度高负荷三维叶栅流场结构分析奠定基础。研究表明，常规高负荷三维扩压叶栅的流场随着来流冲角的增加将先后经历角区分离、角区失速与叶栅失速三种不同的分离形态。流场中的旋涡结构整体上可以

6、区分为以马蹄涡、通道涡、壁角涡为代表的准柱状涡系与以吸力面分离涡为代表的层状涡系。其中马蹄涡压力侧分支并非一定会汇入通道涡，而通道涡也并非由马蹄涡压力侧分支发展而来，壁角涡也不是通道涡诱导的产物，通道涡与壁角涡均有着各自相对独立的促发机制与发展过程。吸力面分离涡是一个具有一定厚度并在空间自行封闭的复杂三维曲面。马蹄涡、通道涡、壁角涡等准柱状涡系结构并非叶栅损失的重要来源，流场的损失分布主要受吸力面分离涡的影响。低反动度高负荷三维叶栅的流场始终处于叶栅失速形态，流场固有的动力学不稳定特性引发层状的吸力面分离涡打破原先的平衡机制，最终演变形成非对称分

7、离流态，由此引发吸力面分离涡在空间尺度上急剧增长并成为主导叶栅流场分离结构与损失分布的关键因素。I哈尔滨工业大学工学博士学位论文在明晰了具体分离结构的基础上，本文随后在低反动度高负荷扩压叶栅中开展了附面层定常吹/吸气控制分离流动的研究。研究显示，在低反动度高负荷扩压叶栅中成功实现分离流动控制的关键在于对吸力面分离涡的有效控制，流动控制的成功施加伴随着流场由叶栅失速形态突变至角区失速或角区分离形态的过程。附面层定常吹气通过射流携带的高动量流体与附面层内部的低能流体之间的动量交换调节附面层的发展并形成新的分布形态，这一过程具有显著的矢量特性，因此射流

8、角度对控制效果有着决定性影响。附面层定常吸气通过对附面层内部低能流体的吸除以延缓附面层的发展并提升其抵抗逆压梯度的能力，附面层定常吸气的