利用合成射流控制轴流压气机中的非定常分离

1
1.1
实验研究
实验设备简介
1.1.1 叶栅风洞
实验在中国燃气涡轮研究院的平面叶栅风洞中 进行。这是一座暂冲吹入大气式的超、跨音速平面 叶栅吹风试验器，能进行亚、跨、超音速压气机和 涡轮平面叶栅吹风试验（实验马赫数为 0.5~1.6） 。 试验段截面为 300mm(高)×160mm(宽)。风洞由闸 阀、快速阀、调压阀、稳流段、喷管段、试验段、 收集器、 坐标架、 引射器、 抽气装置和尾板等组成(见 图 1)。 实验所选叶型为 CFM56 高压压气机第一级转 子的叶根截面，选择大弯度（42.83°）叶型是为了更 容易出现流动分离。
0
引
言
人们对控制边界层分离问题进行了大量研究并 取得了很大进展。流动分离不仅使翼型升力减小阻 力增加，还使叶轮机和喷管的效率大大降低。以飞 机机翼为代表的外流空气动力学，在流动控制方面 走在了研究的前列。众所周知，粘性的存在和逆压 力梯度是流动分离的两个必要条件，所以控制方法 都大致沿着两个思路来展开： 1） 增加附面层的动量， 例如增加气流湍流度、质量射流（吹气） 、附面层抽 吸等； 2） 减小逆压力梯度， 例如设计合理的叶型 （如 可控扩散叶型）等。 无论是附面层抽吸还是射流，都需要附加的气 路系统，这无疑增加了控制的代价。人们发现，具 有周期性吹气和吸气特征的合成射流对于升力提高 的效果大约是定常射流的十倍。非定常方法比定常 控制更有效并且可以通过小能量输入来实现，使得 合成射流在定常激励无效或者需要大质量输运率的 [1-8] 情况下得到广泛的应用 。 合成射流的特点是：1）无质量输送，净质量流 量为零， 吹起过程和吸气过程交替进行,故无须附加 的气路系统； 2） 输入动量不为零。 所以从广义上说， 不管具体结构和工作原理如何，凡是能在喷口处产 生零质量周期性吹吸气的装置都可以称作合成射流 激励器。合成射流亦可称作周期性吹吸气。 轴流压气机中的逆压梯度普遍高于其他任何流 体机械的逆压梯度，当代先进轴流压气机更是向着 高推重比的方向发展，这就要求有更大的级负荷。 在粘性和大逆压力梯度的作用下，轴流压气机中的 流动分离不可避免，甚至导致旋转失速与喘振。 考虑到内流中缺乏相应的技术和经验, 借鉴外
在中国燃气涡轮研究院的平面叶栅风洞中稳态 气流参数由 DSY－128 电子扫描阀进行数据采集， 该电子扫描阀采用了先进的传感器技术以及实时校 准技术，可满足多点压力测量的高速率和高精度等 要求。动态数据的采集是采用美国 Nicolet 公司的 Data acquisition system，型号为 Odyssey。这是一个 多通道的高频动态数据采集系统，共有 32 个通道， 每个通道可同时以最高为 200M 的采样频率进行采 集。用 PS682A 稳态探针和 Kulite 动态压力探针， 在叶高 10%、栅后 3mm 处测取一个栅距性能参数。 在试验过程中，整个测量系统的压力测量误差 源于电子扫描测压仪，受感部和大气压的测量，受 感部的精度为 0.001，扫描阀系统的精度为 0.001， 测量大气压力的精度为 0.0001。 合成射流速度通过一维热线风速仪（TSI probe mode 1210-T1.5 ）测量，精度为 2%。数据采集由 TSI-IFA300 数据采集器完成。产生正弦波的信号发 生器连接到功率放大器， 功放的输出端连接扬声器。 热线探针由位移机构固定在喷口中心线上，其精度 为±1mm。
80 60 40 20
100 80
Blowing Suction
Velocity/(m/s)
60 40
0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000
f / Hz
(b)
20 0 0.51 0.52 0.53 0.54
最大射流速度 Umax
图6
射流速度随激励频率的变化
Time/s
(b) 图4
2
Umax / (m/s)
风速仪，所以正向吹气和反向吸气在图 4 中表现出 来都是正速度。 射流的最大速度和平均速度不仅与测量点的位 置有关，而且还与激励频率、功率等有关。由于在 y =1 时吸气速度基本上为零，只有半波长的吹起过 程，在此处相当于脉冲射流（pulse jet ） 。所以在研 究频率和功率影响时，测点位置固定在 y =1 处。 图 6 给出了射流平均速度和最大速度随频率变 化的关系。从图中可以看出，对于所测的这个特制 扬声器，共出现了三个共振频率，分别为 750Hz， 1600Hz 和 2700Hz； 其中频率 f=1600Hz(功率 P=55w) 时，平均速度与最大速度分别为 42.5m/s 和 117m/s。 扬声器的结构不同，共振频率亦不同，对射流速度 的影响很大。 图 7 给出了功率对射流速度的影响。在小功率 时（大约 P<20w） ，斜率很大，即射流速度随着功率 增加而快速提高；在大功率时，斜率则较小。可见， 在大功率基础上，通过加大功率来获取更大的速度 是较困难的。
0
400
800
1200
1600
2000
2400
Frequecy/Hz
P/w
图8
激励频率对平面叶栅损失系数的影响,Ma=0.5
(a)
120 110 100
平均射流速度 U
2
数值模拟
Umax / (m/s)
90 80 70 60 0 10 20 30
f =1600Hz f =750Hz
由于实验经费和实验条件的限制，实验研究的 内容十分有限。所以我们进行了相应的二维数值模 拟研究。数值模拟的目的有两点：1）验证数值模拟 自身的可靠性；2）进行孤立参数优化分析，揭示更 细致的流场内部结构， 以便深入的研究其物理机理。
y=4mm, y =1
射流速度随时间的变化
3
45 40
0.55
Ma1=0.5, i=20
0 0
0.54
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Ma1=0.5, i=18
Loss coefficient
35
0.53
U / (m/s)
30 25 20
f =1600Hz f =750Hz
0.52
0.51
0.50
15 0 10 20 30 40 50 60
1
1－弯管段 6－调压阀 2－闸阀 7－伸缩节
11－试验段 12－收集器 13－引射器 14－抽气系统
3－直管段 8－稳压段 4－快速阀 9－小车
5－直管段 10－喷管段 15－坐标架
图3
导气筒结构示意图
图 1 中国燃气涡轮研究院的超跨音速平面叶栅风洞简图
1.1.3
测试仪器
1.1.2
激励器介绍
用于流动控制的合成射流由一个大功率（额定 功率 100w，最大功率 200w）的特制电动扬声器产 生，见图 2。扬声器内部利用电磁力推动活塞以一 定的频率来回移动， 从而对空气进行有规律的吹吸， 产生合成射流。这是一个典型的合成射流激励器 （synthetic jet actuator） ，通过向边界层引入合成射 流速度来控制边界层的演变发展，从而达到控制分 离、提高气动性能的目的。 扬声器产生的合成射流速度通过导流管从叶栅 端壁紧靠叶背前缘的位置垂直导入。导流管的结构 如图 3 所示。气流通道为一个收缩的圆柱形，与扬 声器连接的一端直径为 19mm，气流导出端直径约 为 4mm。 收缩形导流管可以显著增加出口射流速度。 导流管
15 10 5
Velocity/(m/s)
Suction
60 40 20 0 0.50 0.51 0.52 0.53 0.54
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
f / Hz
(a)
140 120 100
平均射流速度 U
P =35w P =55w
Umax / (m/s)
Time/s
(a)
y=1mm, y =0.25
流中相对成熟的分离控制经验是一条可行之路。但 是, 这两类流动的实际情形不完全相同。在外流中 行之有效的合成射流控制技术在内流中是否同样有 效? 本文的目的就是为了探索合成射流这样一种全 新的流动控制技术对控制压气机叶片上流动分离的 有效性。 本文首先利用热线风速仪测量了合成射流的速 度，研究了激励频率、功率对射流速度的影响。在 此基础上，进行了平面叶栅实验和相应的数值模拟 研究。对实验结果和数值模拟结果进行了对比，验 证了数值模拟的可靠性，并根据数值模拟结果提出 了实验研究方法的改进。
利用合成射流控制轴流压气机中的非定常分离
郑新前，侯安平，周 盛
100083） （北京航空航天大学航空发动机气动热力重点实验室, 北京 摘
要：本文通过平面叶栅风洞实验与相应数值模拟(Ma=0.5)，研究合成射流对轴流压气机非定常分离流的控
制效果。利用热线风速仪测量出合成射流的平均速度与最大速度分别为 42.5m/s 和 117m/s，在此基础上进行合 成射流的非定常激励。研究结果表明，这种非定常激励可以调节边界层的演化和发展以促进小涡合并,流场的时 均气动性能得到显著提高。实验与数值模拟得到了定性一致的结果：当非定常激励频率与尾缘涡脱落特征频率 相等或接近时，激励效果最佳，从而验证了数值模拟的可靠性。由数值模拟结果还可知，激励幅值存在一个“阈 值”( A =10%), 只有大于此阈值时效果才较显著，而激励位置则在分离点最佳。 关键词：合成射流；非定常激励；非定常分离；轴流压气机叶栅
2.1
40 50 60
数值方案
2.1.1 分裂格式
P /w
(b) 图7
最大射流速度 Umax
射流速度随功率的变化, y =1
采用固定在叶栅上的二维直角坐标系，该坐标 系下控制流动的无量纲守恒形式的二维可压缩非定 常雷诺平均 N-S 方程为：
1.2.2 叶栅气动性能的变化 前期研究结果表明，影响非定常激励效果的参 数很多，大致可分成两类：气动参数和激励参数。 气动参数包括来流马赫数和攻角，激励参数包括激 励频率、激励幅值（射流速度的大小） 、激励位置、 激励方向、激励波形。由于实验经费和实验条件的 限制，对这些参数的影响我们无法进行详细的实验 研究。所以，实验的目的只是对非定常激励控制分 离、提高气动性能的可行性进行初步验证。激励频 率在众多参数中处于核心地位，所以首先要解决的 问题是激励频率的选择问题。图 8 给出了 i =18º和 20º时，叶栅损失系数随不同激励频率的变化曲线。 由图可看出，当激励频率接近叶栅流动固有的旋涡 脱落频率时，叶栅损失系数最小，达到最佳的控制 效果。详细结果及分析请见文献[9]。从损失系数来 看，性能提高的幅度不是很大，其原因将在§3 中 分析。