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研究所在新型壓氣機流動控制研究方向取得新進展
发稿时间:2020-08-19         作者:李智慧          来源:先進燃氣輪機實驗室     【字号:

  研究所先進燃氣輪機實驗室研究团队基于自然界鲨鱼表皮流向肋片结构可有效降低流阻这一现象的启示,提出了在压气机叶片表面安装微型肋片结构以降低叶型气动损失的研究思路。相关研究成果發表在ASME Turbomachinery Technical Conference & Exposition 2020  。

  新型高性能航空發動機對核心部件之一的壓氣機提出了高負荷的設計需求,高負荷壓氣機葉片表面易産生流動分離,進而喪失做功能力並造成嚴重的氣動損失。這些損失的來源主要包括兩部分,即葉型損失以及端壁損失。前期研究人員針對如何降低端壁流動損失這一問題開展了廣泛研究並取得較好效果,但是對于如何降低高負荷壓氣機葉型損失方面的研究則相對較少。針對這一問題,研究團隊基于自然界鲨魚表皮流向肋片結構可有效降低流阻這一現象的啓示,提出了在壓氣機葉片表面安裝微型肋片結構以降低葉型氣動損失的研究思路。 

  爲此,研究人員首先借助開源CFD代碼OpenFOAM模擬了壓氣機葉柵通道內部流動。將大渦模擬結果與葉柵實驗結果進行比較,驗證擬使用數值方法的准確性。然後,將微型肋片結構安裝到壓氣機葉柵吸力表面上,以降低摩擦阻力。通過對比施加肋片結構前後壓氣機葉片邊界層流阻,內部湍流擬序結構和湍流脈動變化特征,研究人員發現肋片結構可有效降低貼附湍流邊界層産生的氣動損失,降損程度最高可達到20%以上。這背後的主要流動機理來自于兩方面:一方面微型肋片可有效抑制湍流邊界層的側向脈動;另一方面,肋片結構的存在使得湍流邊界層內部的湍流渦位置沿壁面法向擡升,使得湍流渦結構與固壁的接觸面積顯著降低。目前相關的葉柵風洞實驗測量正在開展之中。 

  由此可見,微型肋片結構在降低高負荷壓氣機葉型損失方面具有可觀潛力,但是針對肋片結構與邊界層轉捩的相互作用以及在三維複雜流動環境下如何合理布置肋片等科學問題,依舊需要開展深入研究。 

  以上研究成果以“Physical mechanisms investigation of sharkskin-inspired compressor cascade based on large eddy simulation method”爲題,發表在ASME Turbomachinery Technical Conference & Exposition 2020 上。第一作者爲李智慧,通訊作者爲杜娟。該項研究工作獲得了博士後創新人才支持計劃(No. 209902)和博士後面上基金(No. 2018M641478)等支持。 

 

  图1 微型肋片布置方案

 

  图2 微型肋片流动控制效果

 
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