[发明专利]一种基于涡流发生器的端壁横向二次流控制方法

说明书

本发明一种基于涡流发生器的端壁横向二次流控制方法，属于机械装置及运输技术领域。首先，使用涡流发生器经验统计模型来仿真其对流场的影响，从而避免了刻画涡流发生器复杂网格的生成工作；其次，使用响应面优化算法对通道内的涡流发生器施加方案进行全局寻优；最后，采用生成真实几何网格的方法对设计结果进行确认。本发明通过将涡流发生器施加于叶片通道端壁，使主流区高能流体与附面层低能流体相互作用，增加附面层低能流体的动能，从而增强附面层抵抗压力梯度的能力，减弱通道内横向二次流的强度。

技术领域

本发明涉及一种叶轮机叶片通道端壁上涡流发生器设计方法，尤其涉及一种基于涡流发生器的端壁横向二次流控制方法，属于机械装置及运输技术领域。

背景技术

航空叶轮机现代设计手段已经可以使得叶片在中展60％-80％范围内高效工作，端区复杂流动成为了造成气动堵塞、能量损失和性能恶化的主要因素[1]。一些研究表明，端区损失占到了总损失的30％以上，并随着叶轮机气动负荷的增加不断恶化[2]。叶片角区是叶轮机中的固有几何特征，在附面层交汇与横向二次流共同作用下的角区分离是构成端区损失的重要部分。为解决这一问题，现代设计手段趋向于结合弯掠与端区处理技术的第三代三维叶片造型方法[3]。端区处理技术分为主动与被动控制技术，主动控制技术主要有附面层抽吸技术[4,5]，等离子体激励技术[6,7]等；被动控制技术主要有非轴对称端壁技术[8],叶身融合技术[9,10]等。叶身融合技术可以处理由于角区附面层交汇造成的流动分离，但在研究过程中发现，当通道内横向二次流强度较大时，单纯使用叶身融合技术不能有效控制角区分离。因此，寻求控制通道横向二次流的技术手段十分必要，涡流发生器就是一个可能的技术手段。

涡流发生器最早由Taylor在20世纪中期提出，最初用来控制机翼附面层的分离[11]。自此以后，许多研究者针对其在外流中的应用进行了大量的研究工作[12-14]。研究表明，涡流发生器技术是一种有效的被动控制手段，可以抑制附面层分离，激波附面层干扰，提高机翼升阻比。涡流发生器技术凭借结构简单，造价成本低，工程可实现性强的优势在外流飞行器气动设计中获得了广泛应用[15]。涡流发生器也衍生出了许多不同的形状，包括叶片式，微斜坡式，楔形式，以及射流式。其中，叶片式涡流发生器最为普遍，本文的后续工作也只考虑这一种几何形式。

鉴于涡流发生器技术在外流中获得的成功应用，一些研究者已经试图将其应用到叶轮机内流当中。Laws证明了在叶片前缘上游的端壁处施加涡流发生器可以提高一跨音转子的压比与效率[16]。Gammerdinger在风扇叶片的吸力面上布置涡流发生器，发现叶片的角区分离尺度得到了减小，但却造成了总压损失提高[17]。Agarwal在转子Rotor37的吸力面上施加了多种不同形状的涡流发生器，发现转子的裕度得到了提升，但总压比略有下降[18]。Hergt和Meyer设计了多种涡流发生器形状，并将其应用于一平面叶栅的前缘上游端壁和吸力面。数值与实验结果表明流动分离得到了有效控制[19-21]。Diaa设计了两种涡流发生器，并将其应用于叶片前缘上游端壁，数值结果显示横向二次流强度得到了抑制，但造成了总压损失的提高[22,23]。Chima在叶片表面和前缘上游端壁应用涡流发生器用以控制来流畸变，叶表流动，以及横向二次流。结果表明涡流发生器可以实现这些功能[24]。

上述工作均采用将涡流发生器布置与前缘上游端壁或叶片表面的方式，在一定程度上提高了叶片的气动性能，但很少有将涡流发生器布置与叶片通道内的研究。分析这一原因，除了对涡流发生器布置在叶片通道内的应用潜力预估不够，主要是当涡流发生器施加于叶片通道内时，设计工作过于繁琐，需要反复的几何建模与网格生成以确定较优方案，一些不合理的设计甚至会恶化气动性能。鉴于以上原因，本发明将涡流发生器应用于叶片通道内用于横向二次流控制，并提出了一种高效的涡流发生器方案设计方法用于最优涡流发生器布置方案的确定。

[1]V.M.Lei,Z.S.Spakovszky.A Criterion for Axial Compressor Hub-CornerStall[J].Journal of Turbomachinery,130(3),pp475-486,2008.