工程分离流动力学(下篇)

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图22
20 冲角下反弯叶栅叶片表面与下端壁流动显示照片
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图23
20 冲角下反弯叶栅叶片表面与下端壁拓扑结构
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图24
20 冲角下反弯叶栅旋涡结构
在20°冲角下反弯叶栅 下端壁与叶片表面的拓扑 结构与直叶栅基本相同， 即奇点的类型与数目相符， 仅奇点发生的位置不同 （图22~24）。四个鞍 S b 、S c 和 S 位于 点 Sa 、 零冲角直叶栅对应鞍点的 上游和20°冲角直叶栅对 应鞍点的下游。上、下通 道涡在尾缘上游相交，重 合段长度小于20°冲角下 直叶栅。
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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
奇点类型
鞍点 叶片类型 相对间隙
=0.036
结点 6 4
半鞍点 9 5
半结点 3 3
直叶栅 反弯叶栅
正弯叶栅
3 3
=0.023
=0.036 =0.023
2
2
5
3
8
4
2
2
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。
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图19
20 冲角下正弯叶栅叶片表面与下端壁流动显示照片
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图20
20 冲角下正弯叶栅叶片表面与下端壁拓扑结构
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图21
20 冲角下正弯叶栅旋涡结构
20 °冲角下正弯叶栅叶片表面和 下端壁壁面流场中的奇点类型和 数量与零冲角下的正弯叶栅相同， 下端壁叶片前缘鞍点 S a与吸力面 附近鞍点 S b 发生的位置在本实验 的六套叶栅中处于最上游，下端 壁进口马蹄涡与下通道涡亦在叶 栅的最上游形成（图 19~21）。 下通道涡在距前缘 30%相对轴向 弦长处就爬升至大约位于叶展中 部的零展向压力梯度线附近，并 沿该线方向卷吸运动向下游。由 于叶片正弯消除了上通道涡，叶 展中部区域不存在两旋向相反涡 系 间 的 相 互 作 用 。
i 0
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在有间隙侧端壁 流场中有鞍点3 个，附着结点2 个，分离螺旋点 1个。
i 0
图 3 上端壁（有间隙侧）壁面流场拓扑结构（直弯叶栅）
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4.2 下端壁与叶片表面流动显示与拓扑结构
= 0.036
图4 直叶片表面与下端壁流动显示照片
= 0.023
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= 0.036 = 0.036 = 0.023
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0.036


鞍点3个， 结点6个， 半鞍点9个， 半结点3个，


= 0.023

0.036

= 0.023
图8 直叶栅出口附近横截面二次流场拓扑结构
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4、名义冲角下，间隙尺寸对拓扑与旋涡结构的影响 4.1上端壁的流动显示与拓扑结构
= 0.036
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Lr
为特征的流谱。
= 0.023
图2 上端壁（有间隙侧）壁面流动显示照片 依次为直、正弯和反弯叶栅
鞍点3个， 结点4个， 半鞍点5个， 半结点3个，
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Fra Baidu bibliotek
4.4 旋涡结构的推测
= 0.036 = 0.036
较大间隙下
= 0.023
较小间隙下 七个集中涡系： 1 上端壁压力边马蹄涡 2上端壁吸 力边马蹄涡 3 下端壁马蹄涡 4 上通道涡 5 下通道涡 6 叶顶分 离涡 7 泄漏涡
图9 具叶顶间隙常规直叶栅的旋涡结构
= 0.023
九大集中涡系： 1 上端壁压力边马蹄涡 2上端壁 吸力边马蹄涡 3 下端壁马蹄涡 4上通道涡 5 下通道涡 6 下端壁 吸力边壁角涡 7 叶顶分离涡 8 叶顶二次涡 9泄漏涡
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4.5 间隙尺寸对奇点类型与数量的影响
表1 具叶顶间隙叶栅壁面流动奇点类型、数目简表
奇点类型
鞍点 叶片类型 相对间隙 附着结点 分离结点 分离螺旋点 总数
t/b=0.763
B=118.5mm h/b=0.913
R1 6.75m m
R2 3.37m m
1 p
叶片几何折转角
叶片数 叶顶间隙 叶顶相对间隙
2 p =-63° =113°
N=6
=50°
/ h 0.036 ，0.023
4mm ，2.5mm
表 一 叶 栅 的 几 何 与 气 动 参 数
= 0.023 4个附着结点
3个分离结点 1个分离螺旋点
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4.3 横截面二次流动的拓扑结构




在该截面上有2 个鞍点，2个半 鞍点，2个附着 结点，1个半分 离结点和1个半 附着结点。
= 0.036 , 0.023
图7 直叶栅30%相对轴向弦长横截面二次流场拓扑结构
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2.实验叶栅模型
直叶片叶栅
正弯叶片叶栅
反弯叶片叶栅
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a)直叶栅
b)正弯叶栅
c)反弯叶栅
叶片积迭线形状
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叶片弦长 叶高 节距
b 120.5mm
h 110 mm
t=90mm
节弦比
轴向弦长 展弦比 前缘圆半径 尾缘圆半径 叶片几何进气角（从轴向算起） 叶片几何出气角（从轴向算起）
7 小结
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1．对于零冲角常规直叶栅，当其叶顶相对间隙=0.036时，在 栅内形成了由24个奇点、9条分离线构成的拓扑结构以及由 上端壁压力边与吸力边马蹄涡、叶顶压力边分离涡与吸力边 二次涡、泄漏涡、上下通道涡，下端壁进口边马蹄涡与吸力 面壁角涡九大集中涡系构成的旋涡结构；当叶栅的叶顶相对 间隙下降至 =0.023时，栅内壁面流场中奇点和分离线的数 目分别下降至16个和7条，在旋涡结构中没有出现叶顶压力 边分离涡和下端壁吸力面壁角涡。 2 ．在冲角为零、叶顶相对间隙为 0.036 或 0.023 以及冲角为 20°、叶顶相对间隙为0.036的情况下，叶片正弯均消除了 上通道涡，这一方面减少了壁面流场中奇点和分离线的数量， 较大地降低了上通道涡与泄漏涡的相互作用损失，另一方面 强化了端壁横流对泄漏流动的封堵作用，从而降低了相对漏 气量。
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6 气流冲角对拓扑与旋涡结构的影响
直叶栅 图14
正弯叶栅
反弯叶栅
20 冲角下上端壁壁面流动显示照片
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图15
20 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，20°冲角下三套叶栅上端 壁壁面流谱中的奇点数量和类型与 零冲角下的一致。与零冲角下三套 叶栅上端壁的拓扑结构比较，在 20°冲角下双鞍点 S l 和 S h 的位置 向叶栅上游和流道中部移动，压力 边与吸力边马蹄涡分离线的两对分 支围绕的区域在垂直与来流的方向 上扩展，并且该两对分支与环绕吸 力边向下游延伸的分离线 L s 的交汇 点要移向上游。叶顶与流道对应的 上端壁上的极限流线都更趋向与压 力边和吸力边正交。
进口总压
叶栅出口叶展中部马赫数 基于弦长的雷诺数 进口边界层厚度
P0* 10730 Pa
M=0.3 Re=8.3×105
14 mm
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3、具有叶顶间隙叶栅流谱分析的拓扑法则
图1 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：
1 1 （ N N ） （ S S ） 0 2 2
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5 叶片弯曲对拓扑与旋涡结构的影响
= 0.036
图10 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 反弯叶栅
= 0.023
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= 0.036
= 0.023
图11 正、反弯叶栅下端壁与叶片表面流动拓扑结构 正弯叶栅 反弯叶栅
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= 0.036
= 0.023
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3．在叶顶间隙为0.036的三套叶栅中，当气流冲角由 0°增至20° ，与零冲角下的同类叶栅相比较，鞍点 的位置均移向上游，分离区的范围在沿流向和垂直流 向的方向上扩大，上、下通道涡分离线向叶展中部爬 升。在常规直叶栅中，上、下通道涡分离线在叶展中 部75%轴向弦长处相交，旋向相反的上、下通道涡汇 合引起流动损失增大；叶片正弯同样消除了上通道涡， 因而消除了上、下通道涡在叶展中部区域的相互作用 损失；叶片反弯导致上、下通道涡分离线相交的长度 小于常规直叶栅。
直叶栅 反弯叶栅
=0.036
12 8 10 6
6 4 5 3
4 3 3 2
2 1 2 1
24 16 20 12
=0.023
=0.036
正弯叶栅
=0.023
如图2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。
工程分离流动力学
------- 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
授课教师 韩万金 2008 年 7 月
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1、引 言
采用墨迹法显示壁面流谱。 在上篇理论分析基础上，探讨间隙尺寸、叶片弯曲 和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。
= 0.023
图5 直叶片表面与下端壁的壁面流动拓扑结构
9个鞍点 4个附着结点 4个分离结点 1个分离螺旋点 5个鞍点 2个附着结点 3个分离结点
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= 0.036 = 0.036
12个鞍点 6个附着结点 4个分离结点 2个分离螺旋点
= 0.023
8个鞍点
图6 具有叶顶间隙的涡轮直叶栅壁面流动拓扑结构
图12 正弯叶栅接近出口横截面拓扑结构
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= 0.036
= 0.023
图13 正、反弯叶栅旋涡结构示意图 正弯叶栅 反弯叶栅
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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24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12个减少至正弯叶片的10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8个减少至正弯叶片的6个。 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。
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图16
20 冲角下直叶栅叶片表面与下端壁流动显示照片
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图17
20 冲角下直叶栅叶片表面与下端壁拓扑结构
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图18
20 冲角下常规直叶栅旋涡结构
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从图16-18，可以看出与相同间隙下零冲角直叶栅对比可见， 正冲角引起叶片表面与下端壁流谱发生如下三点变化： 第一，下端壁叶片前缘鞍点 S a 向叶栅上游及流道中部移动，下端壁 吸力面附近鞍点 S b ，邻近叶顶吸力面上的鞍点 S c 以及叶顶鞍点 S 也分别移向上游，这说明下端壁进口马蹄涡、上下通道涡和吸力 面壁角涡以及叶顶分离涡和二次涡均在较上游位置发生，相同轴 向弦长处旋涡强度增大。 第二，上、下通道涡分离线大约在距前缘75%轴向弦长处相交，旋 向相反的上、下通道涡在此位置汇合，发生剧烈的相互作用，涡 能耗散损失剧烈增长。对于直叶栅的总流动损失，在零冲角下上 通道涡与泄漏涡相互作用损失在其中占主要比例，而在正冲角下 上、下通道涡汇合产生的损失占主要部分。 第三，由于上下通道涡分离线的相交，使得直叶栅壁面流场中的奇 点总数由零冲角下的18个下降至16个，其中鞍点和分离结点各 减少1个。