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1、工程分离流动力学工程分离流动力学工程分离流动力学工程分离流动力学授课教师 韩万金授课教师 韩万金 2008 年年 7 月月-下篇：间隙尺寸、叶片弯曲和冲 角对涡轮转子叶栅拓扑与旋涡结构的影响下篇：间隙尺寸、叶片弯曲和冲 角对涡轮转子叶栅拓扑与旋涡结构的影响第2页采用墨迹法显示壁面流谱。采用墨迹法显示壁面流谱。 在上篇理论分析基础上，探讨在上篇理论分析基础上，探讨间隙尺寸间隙尺寸、叶片弯曲叶片弯曲 和和气流冲角气流冲角对涡轮转子叶栅壁面与截面流谱的影 响，通过拓扑分析，获取相应的拓扑与旋涡结构， 从而阐述上述三个参数的变化对涡轮转子流动特性 的影响。对涡轮转子叶栅壁面与截面流谱的影 响，通过拓扑
2、分析，获取相应的拓扑与旋涡结构， 从而阐述上述三个参数的变化对涡轮转子流动特性 的影响。1 1、引、引、引、引 言言言言第3页2.2.实验叶栅模型实验叶栅模型实验叶栅模型实验叶栅模型直叶片叶栅正弯叶片叶栅反弯叶片叶栅直叶片叶栅正弯叶片叶栅反弯叶片叶栅第4页a)直叶栅b)正弯叶栅c)反弯叶栅叶片积迭线形状第5页进口边界层厚度Re=8.3105基于弦长的雷诺数M=0.3叶栅出口叶展中部马赫数进口总压，0.023叶顶相对间隙，2.5mm叶顶间隙N=6叶片数=113叶片几何折转角=-63叶片几何出气角（从轴向算起）=50叶片几何进气角（从轴向算起）尾缘圆半径前缘圆半径h/b=0.913展弦比B=118
3、.5mm轴向弦长t/b=0.763节弦比t=90mm节距叶高叶片弦长120.5bmm=mmh110=mmR75. 61=mmR37. 32=p1p2mm4= 036. 0/=h PaP10730*0=mm14=表一叶栅的几何与气动参数表一叶栅的几何与气动参数第6页图图1 半球及其映像系统草图半球及其映像系统草图具有顶部间隙叶栅横截面流（或二次流）场中的奇点数目遵循的法则是：021 21=+）（）（SSNN3 3、具有叶顶间隙叶栅流谱分析的拓扑法则、具有叶顶间隙叶栅流谱分析的拓扑法则、具有叶顶间隙叶栅流谱分析的拓扑法则、具有叶顶间隙叶栅流谱分析的拓扑法则第7页4 4、名义冲角下，间隙尺寸对拓扑与
4、旋涡结构的影响、名义冲角下，间隙尺寸对拓扑与旋涡结构的影响、名义冲角下，间隙尺寸对拓扑与旋涡结构的影响、名义冲角下，间隙尺寸对拓扑与旋涡结构的影响= 0.036 = 0.023 图2 上端壁（有间隙侧）壁面流动显示照片0i =? 4.1上端壁的流动显示与拓扑结构上端壁的流动显示与拓扑结构由 图 可 见 ， 在上端壁形成了 以叶顶前缘双鞍 点分离以及围绕 叶顶吸力边与压 力 边 的 分 离 线由 图 可 见 ， 在上端壁形成了 以叶顶前缘双鞍 点分离以及围绕 叶顶吸力边与压 力 边 的 分 离 线 Ls与再附线与再附线Lr为特征的流谱。为特征的流谱。依次为直、正弯和反弯叶栅第8页图图 3 上端壁
5、（有间隙侧）壁面流场拓扑结构（直弯叶栅）上端壁（有间隙侧）壁面流场拓扑结构（直弯叶栅）0i =?在有间隙侧端壁 流场中有鞍点在有间隙侧端壁 流场中有鞍点3 个，附着结点个，附着结点2 个，分离螺旋点个，分离螺旋点 1个。个。第9页= 0.036 = 0.023 图图4 直叶片表面与下端壁流动显示照片直叶片表面与下端壁流动显示照片4.2 下端壁与叶片表面流动显示与拓扑结构下端壁与叶片表面流动显示与拓扑结构第10页= 0.036 = 0.023 图图5 直叶片表面与下端壁的壁面流动拓扑结构直叶片表面与下端壁的壁面流动拓扑结构9个鞍点个鞍点 4个附着结点个附着结点 4个分离结点个分离结点1个分离螺旋
6、点个分离螺旋点= 0.036 = 0.023 5个鞍点个鞍点 2个附着结点个附着结点 3个分离结点个分离结点第11页= 0.036 = 0.023 图图6 具有叶顶间隙的涡轮直叶栅壁面流动拓扑结构具有叶顶间隙的涡轮直叶栅壁面流动拓扑结构12个鞍点个鞍点 6个附着结点个附着结点 4个分离结点个分离结点2个分离螺旋点个分离螺旋点8个鞍点个鞍点 4个附着结点个附着结点 3个分离结点个分离结点 1个分离螺旋点个分离螺旋点= 0.036 = 0.023 第12页? ? ? ? ?= 0.036 , 0.023 图图7 直叶栅直叶栅30%相对轴向弦长横截面二次流场拓扑结构相对轴向弦长横截面二次流场拓扑结构
7、4.3 横截面二次流动的拓扑结构横截面二次流动的拓扑结构在该截面上有在该截面上有2 个鞍点，个鞍点，2个半 鞍点，个半 鞍点，2个附着 结点，个附着 结点，1个半分 离结点和个半分 离结点和1个半 附着结点。个半 附着结点。第13页? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?0.036=0.023 图图8 直叶栅出口附近横截面二次流场拓扑结构直叶栅出口附近横截面二次流场拓扑结构鞍点3个， 结点6个， 半鞍点9个， 半结点3个，鞍点3个， 结点6个， 半鞍点9个， 半结点3个，0.036=0.023 鞍点3个， 结点4个， 半鞍点5个， 半结点3个，鞍点3个， 结点4个， 半鞍点5个， 半结点3个
8、，第14页 4.4 4.4 旋涡结构的推测旋涡结构的推测旋涡结构的推测旋涡结构的推测= 0.036 = 0.023 图图9 具叶顶间隙常规直叶栅的旋涡结构具叶顶间隙常规直叶栅的旋涡结构七个集中涡系：七个集中涡系： 1 上端壁压力边马蹄涡上端壁压力边马蹄涡 2上端壁吸 力边马蹄涡上端壁吸 力边马蹄涡 3 下端壁马蹄涡下端壁马蹄涡 4 上通道涡上通道涡 5 下通道涡下通道涡 6 叶顶分 离涡叶顶分 离涡 7 泄漏涡九大集中涡系：泄漏涡九大集中涡系： 1 上端壁压力边马蹄涡上端壁压力边马蹄涡 2上端壁 吸力边马蹄涡上端壁 吸力边马蹄涡3 下端壁马蹄涡下端壁马蹄涡 4 上通道涡上通道涡 5 下通道涡下
9、通道涡 6 下端壁 吸力边壁角涡下端壁 吸力边壁角涡7 叶顶分离涡叶顶分离涡8 叶顶二次涡叶顶二次涡 9泄漏涡泄漏涡= 0.036 = 0.023 较大间隙下较小间隙下较大间隙下较小间隙下第15页4.5 4.5 间隙尺寸对奇点类型与数量的影响间隙尺寸对奇点类型与数量的影响间隙尺寸对奇点类型与数量的影响间隙尺寸对奇点类型与数量的影响121236=0.0232023510=0.036 正弯叶栅正弯叶栅161348=0.0232424612=0.036直叶栅 反弯叶栅相对间隙叶片类型总数分离螺旋点分离结点附着结点鞍点奇点类型直叶栅 反弯叶栅相对间隙叶片类型总数分离螺旋点分离结点附着结点鞍点奇点类型表
10、表1 具叶顶间隙叶栅壁面流动奇点类型、数目简表具叶顶间隙叶栅壁面流动奇点类型、数目简表如如图图2至至5表示的那样，在两种间隙下，由于泄漏流量主要发生在朝向外端壁的方 向，相对间隙的大小并不影响上端壁的壁面流谱，上端壁的壁面流动的拓扑结构基本 相同，即了除了奇点的位置略有差别外，奇点的类型、数量及分布大致相同。由表示的那样，在两种间隙下，由于泄漏流量主要发生在朝向外端壁的方 向，相对间隙的大小并不影响上端壁的壁面流谱，上端壁的壁面流动的拓扑结构基本 相同，即了除了奇点的位置略有差别外，奇点的类型、数量及分布大致相同。由表表1可以看出，在较大间隙下叶栅壁面流动中的奇点数目大于较小间隙。说明较大 间
11、隙叶栅内流场比较小间隙混乱得多，气体绕流较大间隙叶栅必然引起较大的熵增。可以看出，在较大间隙下叶栅壁面流动中的奇点数目大于较小间隙。说明较大 间隙叶栅内流场比较小间隙混乱得多，气体绕流较大间隙叶栅必然引起较大的熵增。第16页2432=0.0232852=0.036 正弯叶栅正弯叶栅3543=0.0233963=0.036直叶栅 反弯叶栅相对间隙叶片类型半结点半鞍点结点鞍点奇点类型直叶栅 反弯叶栅相对间隙叶片类型半结点半鞍点结点鞍点奇点类型表表2 具叶顶间隙叶栅出口附近横截面二次流场奇点类型、数目简表具叶顶间隙叶栅出口附近横截面二次流场奇点类型、数目简表两种间隙下叶栅出口横截面二次流场中奇点数目
12、亦不相同，较大间隙下的 奇点数目，特别是位于壁面上的半奇点的数目比较小间隙多两种间隙下叶栅出口横截面二次流场中奇点数目亦不相同，较大间隙下的 奇点数目，特别是位于壁面上的半奇点的数目比较小间隙多50%。Lighthill 的三维分离模式表明，壁面上的半奇点愈多，壁面剪切效应愈显著。较大间隙 叶栅的壁面剪切效应明鲜高于较小间隙，因此较大间隙叶栅壁面附近的摩擦损 失远高于较小间隙叶栅。的三维分离模式表明，壁面上的半奇点愈多，壁面剪切效应愈显著。较大间隙 叶栅的壁面剪切效应明鲜高于较小间隙，因此较大间隙叶栅壁面附近的摩擦损 失远高于较小间隙叶栅。第17页 5 5 叶片弯曲对拓扑与旋涡结构的影响叶片弯
13、曲对拓扑与旋涡结构的影响叶片弯曲对拓扑与旋涡结构的影响叶片弯曲对拓扑与旋涡结构的影响= 0.036 = 0.023 图图10 正、反弯叶栅下端壁与叶片壁面流动墨迹显示照片正、反弯叶栅下端壁与叶片壁面流动墨迹显示照片 正弯叶栅正弯叶栅反弯叶栅反弯叶栅第18页= 0.036 = 0.023 图图11 正、反弯叶栅下端壁与叶片表面流动拓扑结构正、反弯叶栅下端壁与叶片表面流动拓扑结构 正弯叶栅正弯叶栅反弯叶栅反弯叶栅第19页= 0.023 = 0.036 图图12 正弯叶栅接近出口横截面拓扑结构正弯叶栅接近出口横截面拓扑结构第20页= 0.036 = 0.023 图图13 正、反弯叶栅旋涡结构示意图正
14、、反弯叶栅旋涡结构示意图正弯叶栅正弯叶栅反弯叶栅反弯叶栅第21页在在=0.036的条件下，叶片正弯消除了上通道涡分离 线，即消除了上通道涡，使得叶栅壁面流场中的奇点总数由 直叶片的的条件下，叶片正弯消除了上通道涡分离 线，即消除了上通道涡，使得叶栅壁面流场中的奇点总数由 直叶片的24个减少至正弯叶片的个减少至正弯叶片的20个，接近出口横截面二次 流场中的半奇点数由直叶片的个，接近出口横截面二次 流场中的半奇点数由直叶片的12个减少至正弯叶片的个减少至正弯叶片的10个。在个。在=0.023的情况下，叶片正弯同样消除了上通道涡分 离线，这时在叶顶仅有二次涡分离线，并且该线起始于非奇 点，叶顶泄漏流
15、动在吸力边的分离为开式分离。类似地，叶 片正弯导致叶栅壁面流场中奇点总数由直叶片的的情况下，叶片正弯同样消除了上通道涡分 离线，这时在叶顶仅有二次涡分离线，并且该线起始于非奇 点，叶顶泄漏流动在吸力边的分离为开式分离。类似地，叶 片正弯导致叶栅壁面流场中奇点总数由直叶片的16个减少至 正弯叶片的个减少至 正弯叶片的12个，接近出口横截面二次流场中的半奇点总数 由直叶片的个，接近出口横截面二次流场中的半奇点总数 由直叶片的8个减少至正弯叶片的个减少至正弯叶片的6个。个。概括地说：概括地说：叶片反弯仅改变奇点发生的位置，奇点的类型 与数目不变，亦即叶栅的拓扑与旋涡结构基本不变。叶片正 弯消除了上通
16、道涡分离线，亦即消除了上通道涡，并减少了 叶栅壁面流场中奇点与横截面二次流场中半奇点的数目。叶片反弯仅改变奇点发生的位置，奇点的类型 与数目不变，亦即叶栅的拓扑与旋涡结构基本不变。叶片正 弯消除了上通道涡分离线，亦即消除了上通道涡，并减少了 叶栅壁面流场中奇点与横截面二次流场中半奇点的数目。第22页直叶栅直叶栅正弯叶栅正弯叶栅反弯叶栅图反弯叶栅图14 ?20冲角下上端壁壁面流动显示照片冲角下上端壁壁面流动显示照片6 6 气流冲角对拓扑与旋涡结构的影响气流冲角对拓扑与旋涡结构的影响气流冲角对拓扑与旋涡结构的影响气流冲角对拓扑与旋涡结构的影响第23页图图15?20冲角下图上端壁拓扑结构冲角下图上端壁拓扑结构除了奇点的位置、流动分离范围有差 别外，除了奇点的位置、流动分离范围有差 别外，20冲角下三套叶栅上端壁 壁面流谱中的奇点数
