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尾迹在一体化超紧凑过渡段内传输特性的研究进展
发稿时间:2020-10-12         作者:刘红蕊          来源:轻型动力实验室     【字号:

  超紧凑高低压涡轮过渡段能够减轻发动机重量、提升低压转子动力学特性,因此在现代高性能航空发动机上得到了广泛的应用。但是过渡段及其下游低压涡轮内部极易出现流动分离,尤其高空巡航低雷诺数状况下。对此,轻型动力实验室研究团队采用耦合宽弦长低压涡轮导向器的一体化设计来优化超紧凑过渡段内部流场性能,消除了过渡段通道的端壁分离。此外,前人揭示了高负荷涡轮内部尾迹抑制流动分离的原理,并成功利用尾迹的扰动作用来控制层流附面层的分离。而对于较远传输距离和耦合较宽弦长的低压涡轮导向器的一体化超紧凑过渡段,尾迹扫掠对一体化超紧凑过渡段内流场产生的影响尚不明确。对此,研究团队研究了尾迹在一体化超紧凑过渡段内的传输特性和“负射流”效应,分析了尾迹抑制低压涡轮导向器吸力面分离的流动机理,并发现尾迹诱导宽弦长低压涡轮导向器吸力面转捩过程中的“寂静区”效应。 

  1为非定常数值计算得到的设计工况下一个尾迹扫掠周期内五个时刻的一体化超紧凑过渡段叶中截面的湍流度云图及t/T=0.2时刻的扰动速度矢量放大图。从图中可以看出,尾迹表现出高湍流度特征,尾迹产生初期的中心湍流度高达30%左右。随着尾迹向下游传播,尾迹不断加宽,湍流度也逐渐降低,但到达低压涡轮导向器时,尾迹中心湍流度仍达9%左右,高湍流度的尾迹会给流场周期性地施加强烈的扰动。此外,尾迹中心具有低速特性,如果以一体化超紧凑过渡段叶中截面内的时均流速为参考,则尾迹表现出指向尾迹源的“负射流”特征,如图1a)所示。在尾迹上游,扰动速度卷起为交错出现的两排涡列。随着尾迹向下游传播,扰动涡速度矢量逐渐减小,扰动涡逐步合并。到达低压涡轮导向器吸力面时,其尾迹中心向着尾迹源的负射流区域加宽,尾迹两侧卷起涡经过合并和耗散,其强度减弱,两侧卷起涡的宽度相对于尾迹的宽度减小。 

  尾迹经过过渡段传播和耗散后,对附面层的扰动作用减弱,但在一定程度上仍具有抑制附面层分离和激励附面层转捩的作用;尾迹对分离的抑制作用是通过前沿大尺度逆向涡诱导出的紧贴壁面的顺向涡对附面层的加速作用实现的;尾迹在抑制附面层分离的同时,引起附面层湍流粘性损失的增加;而尾迹后的寂静区在尾迹扫掠后可以进一步抑制附面层的分离,同时又不会带来湍流损失的增加。 

  本研究得到了国家自然科学基金(No.51906242)的支持,已发表SCI论文2篇。 

 

  1 尾迹在一体化超紧凑过渡段通道内的传播 

 
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