《高負荷軸流壓氣機端壁造型對二次流動的影響研究》是依託北京航空航天大學，由金東海擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：高負荷軸流壓氣機端壁造型對二次流動的影響研究
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：金東海
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
端壁造型因其對高負荷軸流壓氣機端區二次流動及氣動性能的重要影響和有待挖掘的重大潛力，成為流動控制技術研究的一個重要方向。本項目將利用數值模擬、全局數值尋優和實驗測試手段，開展高負荷軸流壓氣機端壁造型對二次流動的影響研究，重點關注端壁幾何的改變對泄漏渦和角渦等二次流動的發生、發展和彼此相互干涉的影響機理。數值模擬的關鍵在於，使用高保真貼體格線和可模化端區流動的分區湍流模型技術來準確模擬端區複雜二次流動的結構及其演化規律。利用全局尋優方法，主要研究最佳化端壁造型有效影響端區二次流動和控制端區流動損失的內在機理及其典型幾何特徵。採用PIV方法測量端區瞬時流場分布，同時，採用總靜壓探針和流動顯示等手段測量內部損失分布和端區二次流動結構。把實驗測試與數值模擬結果進行細緻對比，分析端壁造型對端區二次流動的影響，重點研究端壁三維幾何造型有效組織壓氣機內部流動和控制端區流動損失的作用機理。
結題摘要
隨著級氣動負荷的日益提高，其內部流動環境也愈加惡劣，近端壁區易產生大量二次流動，並存在流動失速的危險。端壁造型因其對高負荷壓氣機端區二次流動及氣動性能的重要影響和有待挖掘的重大潛力，成為流動控制技術研究的一個重要方向。目前，端壁造型技術在渦輪中的套用已經成熟，由於壓氣機的逆壓環境，導致該技術在壓氣機中的套用較為困難。本項目工作主要圍繞端壁造型的數值最佳化及其對風扇/壓氣機性能的影響展開。首先，對高保真格線生成技術及分區湍流模型進行了完善和適應性改進。使考慮端壁複雜邊界情況下，數值模擬的精度得到進一步改善。 其次，對端壁造型的參數化定義方法進行了研究。基於以往造型方法的對比分析，針對軸對稱端壁和非軸對稱端壁分別提出了不同的參數化方法。軸對稱端壁採用B樣條曲線定義生成；而對於非軸對稱端壁本文提出了兩種定義方法：三角函式控制曲面法和離散點控制B樣條曲面法，並對兩種造型方法進行了對比分析。然後，對端壁最佳化方法進行了研究。基於本課題組發展的自適應遺傳算法及人工神經網路回響面模型，結合正交試驗設計、端壁參數化定義和流場數值模擬技術實現了對壓氣機端壁的自動全局最佳化。採用正交試驗對設計變數進行分析，並為回響面提供初始訓練樣本。這種方法不僅具有良好的全局尋優能力，而且在一定程度上克服壓氣機流場數值模擬耗時的問題，有利於加快最佳化速度。本文通過不同測試函式驗證了該最佳化方法的有效性。基於上述方法對壓氣機葉柵和過渡段端壁進行了最佳化。對壓氣機葉柵端壁進行了非軸對稱最佳化，目標函式為最小化葉柵出口總壓損失，最佳化狀態點為0°攻角。最佳化結果顯示，造型後葉柵出口總壓損失降低27.8%，靜壓升提高19%。該端壁雖然在0°攻角狀態下得到，但在其它攻角範圍內仍具有良好的氣動性能。對於壓氣機的過渡段，首先通過實驗結果對數值軟體進行了考核，在此基礎上分別對具有較大曲率的過渡段進行了軸對稱和非軸對稱端壁最佳化。結果表明，軸對稱和非軸對稱端壁造型技術均能夠抑制角區，改善內部流動，從而降低過渡段總壓損失，其中非軸對稱端壁取得的效果尤為明顯，通過對輪轂和機匣的造型使出口總損失降低32.7%。最後，對光壁葉柵和非軸對稱葉柵進行了初步實驗測試，對本項目最佳化設計所得的最佳化端壁進行驗證。
