CN104088814B - 一种基于周期性脉动抽吸的压气机主动流动控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于周期性脉动抽吸的压气机主动流动控制方法，它涉及一种压气机主动流动控制方法，具体涉及一种基于周期性脉动抽吸的压气机主动流动控制方法。本发明为了解决高负荷压气机设计中，因大尺度分离而导致流动失稳的问题。本发明包括通过理论分析、数值仿真对压气机流场进行初步模拟，获取压气机内部三维流动特征及流动涡系结构；选取抽吸位置、抽吸流量、抽吸方式和抽吸频率；建立叶栅内涡系结构的频率特征与周期性脉动抽吸激励的频率特征之间的关系；根据非定常激励引起的流场变化对叶栅内漩涡演变及其外部扰动响应特性的影响，得到改善流动分离区域内涡系结构、整合无序的非定常自然流态的激励频率特性。本发明用于航空领域。

Description

一种基于周期性脉动抽吸的压气机主动流动控制方法

技术领域

本发明涉及一种压气机主动流动控制方法，具体涉及一种基于周期性脉动抽吸的压气机主动流动控制方法，属于航空领域。

背景技术

非定常的主动流动控制方法研究也是航空航天研究的热点，并逐渐成为流体力学研究的前沿方向之一，周期性脉动抽吸技术就是一种非定常主动流动控制方法。外流研究中，定常与非定常流动的主动流动控制研究进展给内流中流动控制潜力的发掘提供了许多好的参考和借鉴，并开展了很多有关流动控制的和涡调控方面的研究工作，并已经形成了相对完善的研究体系和设计方法，其中一些研究发现，翼型绕流具有固有的非定常性，通过施加一定频率和幅值的非定常激励源，就能够有效抑制流动分离，实现增加升力、减小气动阻力的目的。轴流压气机内的叶片绕流与外流中的翼型绕流有很多相似之处，现代先进航空发动机的负荷越来越高，使得风扇/压气机内部叶片表面有可能出现大尺度的非定常分离流动，以致形成旋转失速和喘振现象。如果能够在轴流压气机内实现与外流类似的非定常流动控制，抑制高负荷工况下叶片吸力面的流动分离，则有望提高轴流压气机的压比、效率，扩大稳定工作范围。

近年来，非定常流动控制较定常控制在某些方面具有一定的优势，使其逐渐取代定常流动控制成为更具吸引力的研究方向之一。如果采用合理、恰当的非定常流动控制设计参数，可以使得其控制效果大大优于定常流动控制，特别是采用脉冲吹、吸气方法时，一些情况下其增升效果约为定常情况下的多倍，且同时所需耗费的能量也比定常控制低。主动控制的思想之一是将瞬态扰动的激励形式引入到流场中实施控制，大量研究工作表明，非定常控制的效果要好于定常控制，且扰动的振幅、频率和位置对振荡扰流的效果非常重要，选择适当的震荡扰流可以有效地抑制分离涡的产生和发展，使总压损失系数减小，从而改善整个流场的流动特性。因此，对于非定常扰动激励的参数设计对于流动控制的成功与否非常重要，根据流场的涡系特征，施加合理、恰当的扰动激励才能实现最佳的流动控制效果。

发明内容

本发明为解决高负荷压气机设计中，因大尺度分离而导致流动失稳的问题，进而提出一种基于周期性脉动抽吸的压气机主动流动控制方法。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的具体步骤如下：

步骤一、通过理论分析、数值仿真对压气机流场进行初步模拟，获取压气机内部三维流动特征及流动涡系结构；

步骤二、根据步骤一获取的压气机流道内的三维流动特征，选取抽吸位置、抽吸流量、抽吸方式和抽吸频率；

步骤三、建立叶栅内涡系结构的频率特征与周期性脉动抽吸激励的频率特征之间的关系；

步骤四、根据非定常激励引起的流场变化对叶栅内漩涡演变及其外部扰动响应特性的影响，得到改善流动分离区域内涡系结构、整合无序的非定常自然流态的激励频率特性。

本发明的有益效果是：在利用附面层抽吸技术以达到有效抑制或者削弱流道内复杂三维流动分离的目的的同时，引入非定常脉动抽吸激励，通过合理组织流场中涡系结构与非定常激励的耦合关系，得到压气机叶栅中非定常波涡耦合作用在时间域的频率锁定效应及基本设计规律，从而大幅提升压气机的气动性能和工作指标。通过数值模拟和实验手段，深入对具有不同攻角以及不同积迭形式的静叶栅进行研究，以获得综合考虑气动和流动特性的复杂三维流道内合理的周期性脉动抽吸设计方案，建立非定常流动控制的设计参数与流场结构的匹配关系及基本的设计准则。该项专利技术完善了高负荷吸附式压气机的设计理论基础，不仅能够为我国相关技术的形成与发展提供理论技术储备，而且具有实用的近期工程应用价值。

附图说明

图1是压气机结构示意图，图2是基于周期性脉动抽吸的三维流动控制机理示意图，图3是非定常抽吸压力变化曲线，图4的(a)是出口截面速度云图，图4的(b)是出口截面节距平均总压损失沿叶高分布图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种基于周期性脉动抽吸的压气机主动流动控制方法是通过如下步骤实现的：

步骤一、通过理论分析、数值仿真对压气机流场进行初步模拟，获取压气机内部三维流动特征及流动涡系结构；

步骤二、根据步骤一获取的压气机流道内的三维流动特征，选取抽吸位置、抽吸流量、抽吸方式和抽吸频率；

步骤三、建立叶栅内涡系结构的频率特征与周期性脉动抽吸激励的频率特征之间的关系；

步骤四、根据非定常激励引起的流场变化对叶栅内漩涡演变及其外部扰动响应特性的影响，得到改善流动分离区域内涡系结构、整合无序的非定常自然流态的激励频率特性。

本实施方式以附面层吸除技术为基础，并引入非定常激励的一种非定常流动控制方法，它一方面利用了附面层吸除对流动控制的优势，另一方面还结合了非定常激励对流场结构；

本实施方式的步骤一中高负荷压气机内部的三维流动呈现分离尺度大、多涡系相互作用等特点，采用周期性脉动抽吸技术来控制流动分离，重点在利用周期性脉动抽吸来给流场引入一定频率、一定幅值的非定常周期激励，因此有必要建立叶栅内涡系结构的频率特征与周期性脉动抽吸激励的频率特征之间的关系，了解非定常激励引起的流场变化对叶栅内旋涡演变及其外部扰动响应特性的影响，实现对流场中的涡量进行组织和调控，并揭示压气机内部非定常耦合流态转换的流动控制机理；

本实施方式的步骤三的外部扰动频率与分离区域内涡系运动特征频率应该具有一定的关系，存在有效控制流动分离、提高涡系运动稳定性的最有效扰动激励频率，这种关系或者联系以及最有效的扰动激励频率需要根据具体的三维流动情况研究获得；

本实施方式的步骤四中通过合理、恰当有效的非定常激励设计(激励位置、激励频率特征等)，削弱或者抑制压气机内的大尺度三维流动分离，从而改善压气机内的流动情况，以提高其工作效率。

实施例

结合图3和图4说明实施例：

在+10°攻角下，对某高负荷压气机叶栅进行了数值模拟演技，对比了不同抽吸方案下的叶栅流动特性。给定叶栅进口压力为(相对于大气压)2500Pa，出口压力为0Pa(相对于大气压)，吸气槽的抽吸压力为脉动压力，一个时间周期内的抽吸背压设定如图3所示，脉动幅值为±1000Pa，并按照正弦曲线规律做周期性脉动抽吸。吸气槽距离前缘70％轴向弦长。

总压损失的定义为:C_p＝(P₀-P)/P_v0。

其中，P₀为叶栅入口总压,P为叶栅出口总压，P_v0为叶栅入口动压。

如图4所示，通过对比叶栅的损失和出口速度可以发现，脉动抽吸改善叶栅性能的效果要好于定常抽吸。

Claims (1)

1.一种基于周期性脉动抽吸的压气机主动流动控制方法，其特征在于：所述一种基于周期性脉动抽吸的压气机主动流动控制方法是通过如下步骤实现的：

步骤一、通过理论分析、数值仿真对压气机流场进行初步模拟，获取压气机内部三维流动特征及流动涡系结构；

步骤二、根据步骤一获取的压气机流道内的三维流动特征，选取抽吸位置、抽吸流量、抽吸方式和抽吸频率；

步骤三、建立叶栅内涡系结构的频率特征与周期性脉动抽吸激励的频率特征之间的关系；

步骤四、根据非定常激励引起的流场变化对叶栅内漩涡演变及其外部扰动响应特性的影响，得到改善流动分离区域内涡系结构、整合无序的非定常自然流态的激励频率特性。