兩級(jí)軸流壓氣機(jī)流場(chǎng)內(nèi)流動(dòng)分離及旋渦運(yùn)動(dòng)

王祥鋒，顏培剛，俞李斌，韓萬金

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱 150001；2.重慶大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，重慶 400030）

0 引 言

由于粘性、復(fù)雜的幾何形狀及復(fù)雜的工作狀態(tài)，葉輪機(jī)械內(nèi)部的流動(dòng)是以粘性、可壓縮和非定常的三維流動(dòng)為特征的［1］，流場(chǎng)中總是存在著大量的分離結(jié)構(gòu)以及旋渦運(yùn)動(dòng)，它們對(duì)葉輪機(jī)械的正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用［2－3］。對(duì)葉柵內(nèi)二次流、流動(dòng)分離和旋渦運(yùn)動(dòng)的研究已經(jīng)成為葉輪機(jī)械氣動(dòng)力學(xué)的一個(gè)重要課題。為了深入理解該課題，各國(guó)學(xué)者將越來越多的注意力集中在對(duì)流場(chǎng)細(xì)節(jié)的研究上［4］。

隨著微分方程定性分析理論的發(fā)展，以流場(chǎng)流譜的動(dòng)力系統(tǒng)、拓?fù)鋵W(xué)和分叉理論的定性分析為基礎(chǔ)的拓?fù)浞治隼碚撘部焖俚匕l(fā)展起來。它可以明確給出三維分離流譜和旋渦結(jié)構(gòu)，幫助分析實(shí)驗(yàn)與計(jì)算結(jié)果以及指導(dǎo)流動(dòng)觀察，幫助建立理論模型和完善透平機(jī)械的氣動(dòng)設(shè)計(jì)等［5－8］。學(xué)者們從拓?fù)鋵W(xué)的角度對(duì)渦輪葉柵內(nèi)的流動(dòng)分離進(jìn)行研究，取得了很多成果［9－11］，并且先后提出了6個(gè)矩形渦輪葉柵旋渦模型［12］。壓氣機(jī)中由于氣流為擴(kuò)壓流動(dòng)，流場(chǎng)內(nèi)結(jié)構(gòu)和渦輪葉柵不同［13］，分離更易出現(xiàn)，也更加嚴(yán)重。Salvage［14］提出的壓氣機(jī)葉柵二次流模型中能夠觀察到葉頂間隙渦與刮削渦的相互作用，而且詳細(xì)地描述了尾緣渦絲。Inoue［15］提出了一個(gè)動(dòng)葉二次流模型，給出了轉(zhuǎn)子流道內(nèi)和出口處渦的三維結(jié)構(gòu)，認(rèn)為在壓氣機(jī)葉柵流道中普遍觀察到的大尺度渦系是馬蹄渦的發(fā)展和壯大，而不是渦輪中所謂的通道渦。Joslyn［16］在某低速壓氣機(jī)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的吸力面分離區(qū)發(fā)展規(guī)律為當(dāng)背壓逐漸升高時(shí)，吸力面／端壁分離區(qū)快速的向中徑發(fā)展，當(dāng)靠近失速點(diǎn)時(shí)分離區(qū)的發(fā)展速度更快?？淀樈淌冢?7］提出了全新的壓氣機(jī)葉柵的旋渦模型，詳細(xì)的描述了壓氣機(jī)葉柵內(nèi)的旋渦結(jié)構(gòu)。陳懋章教授等人［18］也對(duì)擴(kuò)壓葉柵內(nèi)旋渦流動(dòng)作了比較全面的試驗(yàn)研究，提出了一個(gè)常規(guī)擴(kuò)壓葉柵內(nèi)近端壁流動(dòng)的物理模式，包括角渦與葉片表面附面層干涉的壁面拓?fù)淞餍?。張華良［19］通過數(shù)值模擬指出，擴(kuò)壓葉柵內(nèi)的旋渦結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為集中脫落渦和尾緣脫落渦的相互影響和摻混。張永軍等人［20］使用拓?fù)浞治龊蛿?shù)值計(jì)算的方法，對(duì)擴(kuò)壓葉柵葉片通道中馬蹄渦、通道渦、角渦等二次流旋渦的生成、演繹與發(fā)展進(jìn)行了討論。

為了全面認(rèn)識(shí)某多級(jí)亞音軸流壓氣機(jī)中間兩級(jí)流場(chǎng)內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律，為后續(xù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)，本文對(duì)兩級(jí)擴(kuò)壓葉柵的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了詳細(xì)數(shù)值模擬，在此基礎(chǔ)上，引入拓?fù)浞治隼碚?，探索壓氣機(jī)葉柵內(nèi)部附面層的遷移規(guī)律，特別是流動(dòng)分離和各種旋渦的產(chǎn)生和發(fā)展規(guī)律。

1 數(shù)值模型

計(jì)算模型為某多級(jí)軸流壓氣機(jī)的第七、八兩級(jí)，為便于分析，由前至后四排葉片分別命名為：R7、S7、R8、S8。兩級(jí)壓氣機(jī)計(jì)算網(wǎng)格采用NUMECA的AutoGrid模塊生成，兩級(jí)壓氣機(jī)葉柵通道網(wǎng)格采用O型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，壓氣機(jī)進(jìn)出口流道采用H型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。動(dòng)葉葉排和靜葉葉排分別加入葉尖和葉根間隙，為保證間隙內(nèi)網(wǎng)格質(zhì)量，間隙內(nèi)采用蝶形網(wǎng)格，設(shè)置25個(gè)徑向網(wǎng)格。兩級(jí)壓氣機(jī)共包括約230萬個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格布置見表1，網(wǎng)格劃分示意圖如圖1所示。

表1 各網(wǎng)格塊的網(wǎng)格點(diǎn)分布Table 1 Grid point distribution of every grid block

圖1 計(jì)算網(wǎng)格Fig.1 Computation grids

流場(chǎng)求解采用三維N－S方程求解程序Fine／Turbo，動(dòng)靜交界面采用混合平面模型。為了進(jìn)一步提高收斂速度，采用多重網(wǎng)格方法和局部時(shí)間步長(zhǎng)法。湍流模型選取SA一方程模型。邊界條件壓氣機(jī)進(jìn)口給定總壓為448.12kPa，總溫為463.2K，絕對(duì)進(jìn)口氣流角沿葉高分布由上一級(jí)靜葉出氣角計(jì)算出，在出口處考慮徑向平衡方程給定中徑處靜壓值，靜壓從440kPa逐步提高至650kPa，其中設(shè)計(jì)點(diǎn)靜壓為574kPa。端壁處選擇絕熱壁面及無滑移邊界條件，動(dòng)葉旋轉(zhuǎn)邊界給定轉(zhuǎn)速為3000rpm。

2 葉柵拓?fù)浞▌t

任一特定條件下的流動(dòng)，流場(chǎng)流譜中總存在若干個(gè)奇點(diǎn)，反映各種流動(dòng)現(xiàn)象的流場(chǎng)流譜就是由這些奇點(diǎn)按照一定的分布規(guī)律和組合規(guī)律構(gòu)成的，他們是構(gòu)成流面流譜的基本要素。奇點(diǎn)又主要有鞍點(diǎn)和結(jié)點(diǎn)兩種類型，典型鞍點(diǎn)是閉式分離的起始點(diǎn)，一般在其下游會(huì)形成局部回流區(qū)；典型的結(jié)點(diǎn)有分離螺旋點(diǎn)和分離結(jié)點(diǎn)，它們是分離線的結(jié)束點(diǎn)，往往會(huì)在此處形成脫落渦結(jié)構(gòu)。

王國(guó)璋［21］按分離線的特點(diǎn)將分離分為開式分離和閉式分離。開式分離指的是物面上的分離不是閉合的，其分離線不是一條從奇點(diǎn)（鞍點(diǎn)）起始的極限流線，而其分離線起點(diǎn)的位置也難以確定。閉式分離線對(duì)物面上游的極限流線是閉合的，它起始于鞍點(diǎn)，分離線兩側(cè)的極限流線分別來自上游和下游，在結(jié)構(gòu)上具有禁區(qū)性的特點(diǎn)。

研究拓?fù)鋵W(xué)中鞍點(diǎn)和結(jié)點(diǎn)的主要原因在于它們的總數(shù)之間存在著某種關(guān)系——拓?fù)湟?guī)律。盡管某種流場(chǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和奇點(diǎn)總數(shù)隨著沖角、馬赫數(shù)或雷諾數(shù)的改變而變化，但是鞍點(diǎn)和結(jié)點(diǎn)總數(shù)之間總要滿足拓?fù)湟?guī)律［22］。

康順［10］推導(dǎo)了適用于分析葉輪機(jī)械流譜的拓?fù)錅?zhǔn)則，對(duì)于在葉片－葉片截面內(nèi)的流線的（半）鞍點(diǎn)和（半）結(jié)點(diǎn)總數(shù)滿足：

式中∑N、∑S是截面內(nèi)結(jié)點(diǎn)和鞍點(diǎn)總數(shù)，∑N′、∑S′是截面內(nèi)半結(jié)點(diǎn)和半鞍點(diǎn)的總數(shù)。

3 流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及拓?fù)浞治?/h2>

為了全面了解兩級(jí)壓氣機(jī)的內(nèi)部流動(dòng)規(guī)律，本文對(duì)不同工況下的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行討論并進(jìn)行拓?fù)浞治?。需要說明的是，數(shù)值模擬得到的兩級(jí)壓氣機(jī)流譜圖較多，不能逐一給出，本文在對(duì)所有流譜圖進(jìn)行對(duì)比的基礎(chǔ)上，列舉以下典型流譜進(jìn)行分析。

3.1 第7級(jí)動(dòng)葉葉片中部截面流譜

圖2至圖4分別給出了近阻塞工況、設(shè)計(jì)工況和近失速工況下第7級(jí)動(dòng)葉葉展中部的計(jì)算流譜、流譜拓?fù)涫疽鈭D和流譜的鞍結(jié)點(diǎn)數(shù)目關(guān)系。圖2（a）至圖4（a）分別為近阻塞工況（pb＝440kPa）、設(shè)計(jì)工況（pb＝574kPa）和近失速工況（pb＝640kPa）的計(jì)算流譜；圖2（b）至圖4（b）是根據(jù)計(jì)算流譜，利用拓?fù)鋵W(xué)的基本規(guī)律得到的流譜拓?fù)涫疽鈭D；圖2（c）至圖4（c）則是流譜中的鞍結(jié)點(diǎn)數(shù)目關(guān)系。需要說明的是，本文給出的拓?fù)鋱D僅是用于流場(chǎng)定性分析的示意圖，其中各分離線及分離線上奇點(diǎn)的位置、范圍并不符合實(shí)際比例，對(duì)于某些局部小的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為了顯示方便，做了夸張和放大處理。

由圖可知，在近阻塞工況，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，由于沒有明顯的流動(dòng)分離，只是在葉片前緣和尾緣位置分別有一個(gè)半鞍點(diǎn)S′，奇點(diǎn)（包括半奇點(diǎn)）總數(shù)為2；當(dāng)背壓提高到574kPa時(shí)，流譜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化不大，只是來流沖角有所增加，奇點(diǎn)總數(shù)不變；當(dāng)背壓提高到640kPa時(shí)，一方面，來流沖角繼續(xù)增加，另一方面，由于尾緣脫落渦的增強(qiáng)，在葉片尾緣出現(xiàn)了一個(gè)明顯的脫落渦結(jié)構(gòu)（在拓?fù)渖嫌肗表示），此時(shí)流譜中的奇點(diǎn)總數(shù)為5，可見流動(dòng)變復(fù)雜了。

圖2 近阻塞工況（pb＝440kPa）Fig.2 Near chocked condition（Pb＝440kPa）

圖3 設(shè)計(jì)工況（pb＝574kPa）Fig.3 Design condition（pb＝574kPa）

圖4 近失速工況（pb＝640kPa）Fig.4 Near stall condition（pb＝640kPa）

3.2 第8級(jí)動(dòng)葉下端壁流譜

圖5至圖7分別給出了不同工況下第8級(jí)動(dòng)葉下端壁的計(jì)算流譜、流譜拓?fù)涫疽鈭D和流譜的鞍結(jié)點(diǎn)數(shù)目關(guān)系。

圖5 近阻塞工況（pb＝440kPa）Fig.5 Near chocked condition（pb＝440kPa）

圖6 設(shè)計(jì)工況（pb＝574kPa）Fig.6 Design condition（pb＝574kPa）

圖7 近失速工況（pb＝640kPa）Fig.7 Near stall condition（pb＝640kPa）

由圖可知在近阻塞工況，流譜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，最主要的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為馬蹄渦形成的前緣鞍點(diǎn)S和尾緣脫落渦形成的尾緣鞍點(diǎn)S，并分別在前緣與尾緣處形成兩個(gè)半結(jié)點(diǎn)（N′），流譜中的奇點(diǎn)（包括半奇點(diǎn)）總數(shù)為4；當(dāng)背壓提高到574kPa時(shí)，流譜顯示來流沖角有所增加，并且靠近尾緣處壁角渦有所增強(qiáng)，可以看到壁角渦形成的分離螺旋點(diǎn)N，此時(shí)奇點(diǎn)總數(shù)增加到5，這將使得端壁的流動(dòng)復(fù)雜化。當(dāng)背壓繼續(xù)提高到640kPa時(shí)，流譜變得更加復(fù)雜：一方面，來流沖角繼續(xù)增加，另一方面，在葉片尾緣出現(xiàn)了一個(gè)明顯的大尺度分離螺旋點(diǎn)N，并由此誘導(dǎo)一個(gè)小尺度分離螺旋點(diǎn)N，表明此處不斷有附面層流體進(jìn)入主流參與流動(dòng)摻混，這將增加當(dāng)?shù)氐亩瘟鲹p失，此時(shí)流譜中的奇點(diǎn)總數(shù)為11。

3.3 第8級(jí)靜葉上端壁流譜

圖8至圖11分別給出了不同工況下第8級(jí)靜葉的上端壁的計(jì)算流譜、流譜拓?fù)涫疽鈭D和流譜的鞍結(jié)點(diǎn)數(shù)目關(guān)系。

在近阻塞工況，流譜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，最主要的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為馬蹄渦形成的前緣鞍點(diǎn)S和尾緣脫落渦形成的尾緣鞍點(diǎn)S，并分別在前緣與尾緣處形成兩個(gè)半結(jié)點(diǎn)N′，流譜中的奇點(diǎn)（包括半奇點(diǎn)）總數(shù)為4；當(dāng)背壓提高到574kPa時(shí)，流譜顯示來流沖角有所增加，并且靠近尾緣處壁角渦有所增強(qiáng)，可以看到壁角渦形成的螺旋點(diǎn)N，此時(shí)奇點(diǎn)總數(shù)增加到5。當(dāng)背壓繼續(xù)提高到645kPa，甚至650kPa時(shí)，流譜變得更加復(fù)雜：一方面，來流沖角繼續(xù)增加，另一方面，在葉片吸力面也開始出現(xiàn)大的分離區(qū)，由此誘導(dǎo)出一系列復(fù)雜的渦系結(jié)構(gòu)，表明此時(shí)流動(dòng)非常不穩(wěn)定，端壁附面層流體不斷進(jìn)入主流區(qū)，這不僅會(huì)增加當(dāng)?shù)氐亩瘟鲹p失，還會(huì)引起流動(dòng)的不穩(wěn)定，此時(shí)流譜中的奇點(diǎn)總數(shù)明顯增加，分別為8和12，作者判斷此時(shí)壓氣機(jī)已進(jìn)入失速狀態(tài)。

圖8 近阻塞工況（pb＝440kPa）Fig.8 Near chocked condition（pb＝440kPa）

圖9 設(shè)計(jì)工況（pb＝574kPa）Fig.9 Design condition（pb＝574kPa）

圖10 近失速工況（pb＝640kPa）Fig.10 Near stall condition（pb＝640kPa）

圖11 近失速工況（pb＝650kPa）Fig.11 Near stall condition（pb＝650kPa）

從上述關(guān)于端壁和中間截面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖可知，不同工況下的流譜均存在以下兩個(gè)基本特征：1）隨著壓氣機(jī)出口背壓的提高，葉柵進(jìn)口沖角不斷增大，流譜趨于復(fù)雜，流譜中奇點(diǎn)（包括半鞍點(diǎn)、鞍點(diǎn)、半結(jié)點(diǎn)和結(jié)點(diǎn)）的數(shù)目明顯增加。2）流場(chǎng)內(nèi)（包括流場(chǎng)邊界）的鞍、結(jié)點(diǎn)總數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系保持不變，即所有情況均滿足∑N＋（1／2）∑N′－∑S－（1／2）∑S′＝－1，這是符合拓?fù)浞▌t的，這也說明背壓（沖角）的變化不改變流場(chǎng)的Poincare指數(shù)。

3.4 第7級(jí)動(dòng)葉吸力面流譜

圖12給出了第7級(jí)動(dòng)葉的吸力面流譜。

圖12 第7級(jí)動(dòng)葉吸力面流譜Fig.12 Flow pattern on rotor7suction surface

由圖可知，隨著背壓的提高，動(dòng)葉吸力面上的流動(dòng)分離逐漸增強(qiáng)，特別是當(dāng)背壓達(dá)到640kPa時(shí)，分離區(qū)已經(jīng)發(fā)展到80%葉高位置。上述吸力面分離區(qū)發(fā)展規(guī)律為：當(dāng)背壓逐漸升高時(shí)，吸力面／端壁分離區(qū)快速的向中徑發(fā)展，當(dāng)靠近失速點(diǎn)時(shí)分離區(qū)的發(fā)展速度更快。在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)時(shí)，上下端壁都產(chǎn)生了分離，若工況逐漸向失速點(diǎn)靠近時(shí)，兩個(gè)分離區(qū)將有一個(gè)會(huì)快速擴(kuò)大，相反另一個(gè)將縮小。

由前文知道，首先發(fā)生失速的地方在第8級(jí)靜葉，第7級(jí)動(dòng)葉不是首先發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速的地方，雖然在壓氣機(jī)發(fā)生失速時(shí)，動(dòng)葉角區(qū)分離會(huì)增加，但它僅是失速發(fā)展過程中的流動(dòng)現(xiàn)象，而不是失速發(fā)展的誘因。這同時(shí)也說明，與分離形態(tài)的變化相比，分離范圍的變化對(duì)流動(dòng)的影響較小。

3.5 第8級(jí)靜葉吸力面流譜

圖13為不同工況下第8級(jí)靜葉的吸力面流譜。由圖可知，隨著兩級(jí)壓氣機(jī)出口背壓的提高，流場(chǎng)逐漸向失速點(diǎn)靠近，吸力面在大部分葉高上保持了良好的流動(dòng)特征，但位于上端壁角區(qū)的流譜逐漸變得復(fù)雜，表現(xiàn)為分離范圍逐漸增加，同時(shí)分離形態(tài)也不斷變化。最終形成了如圖14所示的橫跨上端壁和吸力面的角區(qū)閉式分離泡。

圖13 第8級(jí)靜葉吸力面流譜Fig.13 Flow pattern on rotor 8suction surface

通過拓?fù)浞治隹梢缘玫轿γ娼菂^(qū)流譜結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律：當(dāng)壓氣機(jī)出口背壓為440kPa時(shí)（近阻塞工況），角區(qū)流譜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為一條簡(jiǎn)單的起始于非奇點(diǎn)而終止于奇點(diǎn)的開式分離線，從分離線的起始形態(tài)看，為典型的正常點(diǎn)起始的開式分離。隨著背壓的提高，流場(chǎng)中逆壓力梯度不斷增強(qiáng)，分離線的起始位置不斷移向上游。當(dāng)分離線起始點(diǎn)移至某一上游位置時(shí)，該位置出現(xiàn)鞍點(diǎn)，分離線的起始狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘埃Y(jié)點(diǎn)組合型，最終形成了鞍點(diǎn)起始的分離結(jié)構(gòu)，在這個(gè)演變過程中，吸力面角區(qū)的分離形態(tài)也逐漸由開式分離向閉式分離過渡，并最終發(fā)展形成由分離面閉合的氣泡，此時(shí)流動(dòng)極不穩(wěn)定，損失急劇增加，流場(chǎng)接近失速狀態(tài)。此時(shí)若進(jìn)一步提高背壓，則角區(qū)分離泡繼續(xù)擴(kuò)大，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將更加復(fù)雜，拓?fù)鋱D中奇點(diǎn)也會(huì)增加，壓氣機(jī)將發(fā)生旋轉(zhuǎn)失速，因此，本文作者認(rèn)為第8級(jí)靜葉是最先發(fā)生失速的地方，而其角區(qū)分離形態(tài)的變化是壓氣機(jī)失速的誘因之一。圖14給出了吸力面角區(qū)閉式分離泡形成的最終拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由圖可知，在分離形態(tài)變化的過程中，隨著開式分離線發(fā)生位置的上移，分離線開始分岔，形成起始于鞍點(diǎn)的分離線的兩個(gè)分支，同時(shí)分離線上各類奇點(diǎn)也不斷增加。奇點(diǎn)的出現(xiàn)增加了流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，尤其是鞍點(diǎn)的出現(xiàn)，必然伴隨著一定的回流，并且在分離形態(tài)上表現(xiàn)為閉式分離的特征。

圖14 近失速點(diǎn)的靜葉吸力面角區(qū)分離結(jié)構(gòu)示意圖Fig.14 Corner separation on stator suction surface at near stall

雖然可以通過壁面流譜得到葉柵及端壁表面附近的流動(dòng)特性，并且可以利用渦動(dòng)力學(xué)和拓?fù)鋵W(xué)的分析方法，獲得整個(gè)三維流場(chǎng)的部分信息，從而定性的描述流場(chǎng)，尤其是流動(dòng)分離的特征。然而，單純的表面流場(chǎng)及其拓?fù)浞治鲞€不能提供流場(chǎng)的詳盡解釋，而且定性分析是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，為了獲得柵內(nèi)流動(dòng)的全面信息，建立旋渦運(yùn)動(dòng)與流動(dòng)損失的關(guān)系，還需要定量的考察流場(chǎng)其它參數(shù)的變化規(guī)律。

4 擴(kuò)壓葉柵內(nèi)的幾種典型旋渦結(jié)構(gòu)

在壓氣機(jī)內(nèi)部，流體是擴(kuò)壓流動(dòng)，很容易發(fā)生分離，進(jìn)而形成大量的旋渦，這提示我們能以旋渦運(yùn)動(dòng)為對(duì)象來建立物理模型。根據(jù)上述拓?fù)浞治龅慕Y(jié)果，并結(jié)合流場(chǎng)的其它參數(shù)，可以獲得壓氣機(jī)內(nèi)幾種典型旋渦結(jié)構(gòu)的基本認(rèn)識(shí)。

4.1 泄漏渦

葉頂間隙流動(dòng)是指由于靜葉或動(dòng)葉的頂部與輪轂或機(jī)匣之間存在間隙，流體在壓力面與吸力面壓力差的作用下直接由壓力面一側(cè)流向吸力面一側(cè)的流動(dòng)現(xiàn)象。雖然間隙流不是本文的研究重點(diǎn)，但本文在計(jì)算時(shí)同時(shí)考慮了動(dòng)葉間隙和靜葉間隙的影響。由葉片吸力面流譜可知，間隙渦與端壁附面層和葉片表面附面層相互作用，分別在壓力面和吸力面形成一條帶狀分離區(qū)。從分離區(qū)的起始位置和范圍可以推斷間隙渦出現(xiàn)在葉片前緣位置，并且在向下游發(fā)展過程中逐步減弱。對(duì)于本文的算例，在三種工況下，間隙渦的變化不大，尤其值得注意的是，當(dāng)流場(chǎng)背壓提高，壓氣機(jī)由近阻塞點(diǎn)向近失速點(diǎn)發(fā)展時(shí)，間隙渦不僅沒有增強(qiáng)，而且強(qiáng)度甚至有所減弱。

創(chuàng)新教育主線是指課程教育培養(yǎng)與課外創(chuàng)新實(shí)踐相結(jié)合的創(chuàng)新教育，以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新熱情，包括機(jī)械制造自動(dòng)化技術(shù)、技能大賽、機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)、大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)等。

4.2 馬蹄渦

由端壁流譜可以清晰的看到馬蹄渦的形成過程：來自上游的均勻流體受到葉片的阻滯作用，在葉片前緣附近形成鞍點(diǎn)，從鞍點(diǎn)開始，分別在壓力面?zhèn)群臀γ鎮(zhèn)刃纬神R蹄渦的兩個(gè)分支，在流道內(nèi)向下游發(fā)展時(shí)，分別在端壁上留下兩條分離線。需要指出的是，馬蹄渦兩個(gè)分支在端壁上形成的分離線并不明顯，也比較短，這表明在擴(kuò)壓葉柵內(nèi)馬蹄渦的強(qiáng)度并不大，在逆壓力梯度的作用下，逐漸耗散消失。

由端壁流譜圖可知，隨著背壓的提高（流場(chǎng)向設(shè)計(jì)點(diǎn)和近失速點(diǎn)發(fā)展），流譜中比較明顯的特征是前緣鞍點(diǎn)向葉片壓力邊移動(dòng)，從而導(dǎo)致端壁處來流附面層的沖角增加，但總的說來，流場(chǎng)中馬蹄渦的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本不變，因此作者認(rèn)為在擴(kuò)壓葉柵內(nèi)，馬蹄渦對(duì)流場(chǎng)和壓氣機(jī)的總體性能影響不大。

4.3 壁角渦

根據(jù)本文的算例和拓?fù)浞治鼋Y(jié)果，作者認(rèn)為壁角渦是端壁二次流的發(fā)展結(jié)果：在橫向壓力梯度作用下，端壁附面層在向下游發(fā)展的同時(shí)，也由壓力面向吸力面發(fā)展，當(dāng)遇到吸力面的阻滯作用，就會(huì)在角區(qū)“搓”出一個(gè)渦來。

圖15（a、b）分別給出了端壁和S3面上壁角渦的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。由圖可知，端壁橫向二次流遇到吸力面并沿吸力面發(fā)展時(shí)，必然存在一個(gè)滯止的過程，在吸力面和端壁的交線位置形成一個(gè)鞍點(diǎn)S1′，此鞍點(diǎn)就是壁角渦的起始點(diǎn)，由拓?fù)浞治隹芍?，壁角渦具有局部閉式分離的特征，因此當(dāng)其動(dòng)量不足以抵抗流向逆壓力梯度時(shí)，很容易發(fā)展為角區(qū)閉式分離泡，如圖15（c）所示。需要說明的是，在擴(kuò)壓葉柵內(nèi)，角區(qū)分離對(duì)葉柵氣動(dòng)性能具有重要影響，尤其是發(fā)生角區(qū)分離泡（閉式分離）時(shí)，葉柵氣動(dòng)性能會(huì)大大降低，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)力求避免。

4.4 尾緣渦

在本文的研究中，將不同文獻(xiàn)中提到的尾緣脫落渦和尾緣集中脫落渦均歸為尾緣渦。

尾緣脫落渦是類似卡門渦街的一種對(duì)渦結(jié)構(gòu)，在試驗(yàn)與計(jì)算的壁面流譜中很難分辨出它的分離線，說明其強(qiáng)度和尺度不大。由上述流譜圖可知，在大部分工況下都沒有看到尾緣脫落渦明顯的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這說明其比較穩(wěn)定，通常情況下對(duì)流場(chǎng)的影響不大。但當(dāng)流場(chǎng)進(jìn)入失速點(diǎn)的時(shí)候，尾緣脫落渦靠近吸力面?zhèn)纫恢У某叽缑黠@增加（圖11），其分離點(diǎn)向葉柵上游發(fā)展，此時(shí)，如果進(jìn)一步增加背壓，則會(huì)發(fā)展成為吸力面脫落渦，造成更復(fù)雜的流動(dòng)摻混和更大的二次流損失。

圖15 壁角渦拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.15 Topology of corner vortex

通過流譜的拓?fù)浞治?，可以得到集中脫落渦的發(fā)展過程。如圖13和圖14所示，集中脫落渦一般并不總是存在，而是隨著背壓的提高，流場(chǎng)所處的逆壓力梯度不斷增強(qiáng)，吸力面角區(qū)位置的分離線的起始形態(tài)逐漸由正常點(diǎn)起始，逐漸向鞍點(diǎn)起始過渡，并最終形成典型的鞍點(diǎn)－分離螺旋點(diǎn)的閉式分離結(jié)構(gòu)，而分離螺旋點(diǎn)就是集中脫落渦的起始點(diǎn)。由此可知，集中脫落渦主要由吸力面附面層和端壁附面層的低能流體組成，它一經(jīng)形成，便將大量低能流體帶入主流區(qū)，并與尾緣脫落渦相互作用，是葉柵出口三維效應(yīng)的主要誘因；同時(shí)集中脫落渦也是吸力面角區(qū)閉式分離形成的主要誘因。

4.5 通道渦

圖16 第8級(jí)靜葉出口截面流線Fig.16 Secondly flow pattern of stator8outlet section

5 結(jié) 論

本文對(duì)兩級(jí)擴(kuò)壓葉柵的內(nèi)部流場(chǎng)開展了詳細(xì)的數(shù)值模擬，同時(shí)引入拓?fù)浞治隼碚摚瑥臏u動(dòng)力學(xué)的角度對(duì)不同工況下擴(kuò)壓葉柵內(nèi)的流動(dòng)分離和旋渦運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定性分析，得到以下結(jié)論：

（1）在壓氣機(jī)葉柵中，由于受逆壓力梯度控制，不同工況下的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)變化較大，相應(yīng)的壁面流譜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也有顯著差別。對(duì)于端壁和中間截面流譜，隨著背壓的提高，流場(chǎng)中（包括流場(chǎng)邊界）的奇點(diǎn)總數(shù)增加，流譜變得更加復(fù)雜。對(duì)于吸力面流譜，隨著背壓的提高，分離形態(tài)逐漸由開式分離向閉式分離轉(zhuǎn)化，從而使得分離尺度和強(qiáng)度大大增加，并可能引起壓氣機(jī)失速。

（2）相比分離范圍的變化，分離形態(tài)的變化對(duì)壓氣機(jī)性能的影響更顯著。當(dāng)流動(dòng)向失速點(diǎn)靠近時(shí)，對(duì)于動(dòng)葉柵，主要表現(xiàn)為分離范圍的不斷增加；對(duì)于靜葉柵，不僅分離范圍增加，而且分離形態(tài)也發(fā)生了變化，出現(xiàn)了較為復(fù)雜的鞍點(diǎn)結(jié)構(gòu)。

（3）壓氣機(jī)葉柵中，主流區(qū)流體微團(tuán)的旋度很小，同時(shí)通道渦在逆壓力梯度控制下，一般為發(fā)散型渦核，無法將低能流體聚集為明顯的渦核。因此，在壓氣機(jī)葉柵中，通道渦強(qiáng)度較弱，對(duì)整個(gè)流場(chǎng)特性不起主要作用，而尾緣渦對(duì)壓氣機(jī)性能具有重要影響。

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