弯扭叶片理论与设计方法作业(2)

当来流处于正攻角时，叶片载荷增加，同时也会引起边界层的发展。当损失不断增加的时候，流动分离就会产生，叶型损失也会增大，但这都取决于流动分离的程度。

(a) 直叶片

图11 周向质量平均下的攻角沿径向分布 (b) 弯叶片 图12 计算得到端壁处流线图

（ 1 47.1 ） 1 47.1 ，x/Cax -0.03

3.3 角区失速的结构

为了观察到靠近端壁处角区失速位置内的漩涡结构，数值模拟中的质点迹线法应运而生。图13和图14展示了在设计进口气流角下，直叶片和弯叶片靠近端壁处的质点迹线。在直叶片流场内，由于二次流的作用，吸力面的端壁边界层向中径处卷起。直叶片靠后位置的高负荷作用使得引起角区内更强的回流。根据图13

所示，回流能够清晰的展示出在叶片尾缘位置，压力面的质点迹线向吸力面

弯扭叶片,作业

卷起。数值模拟结果表明在角区失速区域存在两个对旋涡，这两个涡拥有同一个正交于端壁面的涡核。这两个涡位于距端壁90%叶高、靠近尾缘的位置，角区内的漩涡结构在图15中展示。这两个涡事实上是一个涡的两个分支，这也在Hah和Loelbach做过的类似的工作中有所讨论。

图13 计算得到的直叶片表面和端壁位置流线图（ 1 47.1 ）

图14 计算得到的弯叶片表面和端壁位置流线图（ 1 47.1 ）

图15 角区内环涡拓扑结构

弯扭叶片,作业

弯叶片端壁处叶片载荷较直叶片小，弯叶片靠近吸力面的质点迹线的结构与直叶片的非常相似，但是在尾缘处压力面质点迹线没有向吸力面卷起。三维流场显示，弯叶片角区吸力面位置存在一个漩涡，并且这个更小的临近尾缘的涡在直叶片中并没有形成。这些漩涡结构与图5中所示的测量近端壁湍动度是有关系的。

在设计进口气流角下，直叶片和弯叶片尾缘处侧壁表面的表面油膜法实验结果在图16中已经给出了。从图中可以看出只有在直叶片中才有尾缘处由压力面向吸力面卷起的漩涡。尾缘下游的流动情况显示直叶片出口气流角较弯叶片大。弯叶片中，尾缘端壁处从压力面指向吸力面的强回流也没有出现在角区位置。从实验结果可以看出，弯叶片角区内涡的产生弱于直叶片中，因为在端壁靠后位置，弯叶片的负荷降低了。

(a) 直叶片 (b) 弯叶片

图16 直叶片和弯叶片尾缘处侧壁表面的表面油膜法结果

（ 1 47.1 ）

3.4 攻角的影响

为了研究角区失速对叶片负荷的影响，在进口气流角52.1度下近端壁直叶片的质点迹线在图17中给出了。在更高的叶片负荷下涡的结构更加清晰，能看到两个对漩涡在角区，一个涡在尾缘下游10%轴线弦长处。两种气流角下角区流场相似，但52.1度气流角下吸力面涡的存在更靠上游，并且回流更严重。当气动载荷增加时，在三维流场中形成了三个涡，其中一个在吸力面大约80%

弦长处，

弯扭叶片,作业

另两个在近尾缘处。

图17 计算得到的直叶片表面和端壁近壁流线， 1 52.1

在进口气流角52.1度下近端壁弯叶片的质点迹线在图18中给出了。随着负荷增加，角区失速区域也增加了。弯叶片中，在近端壁角区位置没有形成单个旋涡，大漩涡存在于距端壁15%叶高处，压力面尾缘下游10%弦长处存在一个漩涡。同样的，压力面卷向吸力面的漩涡也不存在，近端壁角区回流变弱。当气动载荷增加的时候，前缘分离泡存在于吸力面近壁面处，这是近壁面处正攻角的作用引起的。因此，在弯叶片三维流场中近壁面处形成了三个漩涡。

图18 计算得到的弯叶片表面和端壁近壁流线， 1 52.1

图19所示为高负荷下近尾缘处侧壁表面的表面油膜法实验结果。从图中可以看到近尾缘处从压力面卷向吸力面的强回流区。

图20所示为不同进口气流角下的总压损失系数。计算结果显示，在设计进口角下弯叶片总损失能够减小4.2%，在52.1度进口角下减小13.5%。当叶片载荷不断增加的时候，弯叶片的作用越明显。

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图19 高负荷下近尾缘处侧壁表面的

表面油膜法实验结果 图20 不同安装角下总压损失系数对比图 x/Cax 1.5

4 结论

为了更好的理解三维流场，尤其是弯叶片压气机叶栅中的角区失速现象，本文进行了详细的数值模拟和实验研究。本文所用数值模拟方法采用的是基于雷诺时均N-S方程以及带有壁面函数的标准k 湍流模型的内部代码，其结果与实验结果进行比对，从定性分析的角度，数值模拟的结果与实验测量结果吻合的很好。

弯叶片的实验和数值结果都是与直叶片进行对比，数值模拟结果显示在端壁附近区域弯叶片的载荷较直叶片要低，并且弯叶片促进了存在于端壁边界层内的低能流体从侧壁流向中径位置。弯叶片靠近前缘处的端壁损失增加了，其原因主要是在端壁处的流动是正攻角的状态。

数值模拟结果主要是用来分析获得叶片表面以及侧壁上角区失速位置的流动机理。弯叶片的角区三维流场显示在近端壁压力面位置存在一个漩涡，并且在直叶片尾缘位置出现的强度弱一些的漩涡并没有在弯叶片中出现，这主要是叶片载荷在端壁处有所减小的缘故。

本文还详细研究了气流角对角区失速的影响。当气动载荷增加的时候，在直叶片靠近角区失速位置的流场中形成了三个漩涡，然而，当近角区失速位置的漩涡数减少到两个的时候，一个新的漩涡就会在近前缘位置产生，这是前缘分离泡所导致的。

5 学习心得体会

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参考文献

[1] Yasuo Takahashi，Hisashi Hamatake，Yasuhiro Katoh. Experimental and Numerical Investigations of Endwall Flowin a Bowed Compressor Cascade[C]. 41st AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit. Tucson: American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2005