壓氣機(jī)角區(qū)分離流動機(jī)理及控制方法研究

■ 李博 / 中國航發(fā)研究院

壓氣機(jī)角區(qū)分離是一種常發(fā)生于軸流壓氣機(jī)“吸力面—端壁”角區(qū)的三維分離現(xiàn)象。壓氣機(jī)角區(qū)分離會引起流場堵塞及流動損失，嚴(yán)重時更會引起角區(qū)失速，對壓氣機(jī)的性能產(chǎn)生極大影響。隨著壓氣機(jī)單級負(fù)荷的不斷提升，壓氣機(jī)角區(qū)分離問題變得日趨嚴(yán)重。

壓氣機(jī)角區(qū)分離流動機(jī)理

截至目前，針對壓氣機(jī)角區(qū)分離現(xiàn)象已進(jìn)行了大量的試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究。普遍認(rèn)為，壓氣機(jī)角區(qū)分離的形成源于快速增長的端壁邊界層與二次流的相互作用，導(dǎo)致大量低能流體在角區(qū)附近堆積，由此引發(fā)了角區(qū)分離。端壁邊界層的快速增長與壓氣機(jī)通道中的流向強(qiáng)逆壓梯度密切相關(guān)，而二次流的形成屬于壓氣機(jī)葉片通道中典型的三維流動現(xiàn)象，不僅與通道內(nèi)的壓力梯度相關(guān)，還與通道中各種渦系的產(chǎn)生與發(fā)展密切相關(guān)。

壓氣機(jī)葉片通道內(nèi)存在流向、展向和周向的壓力梯度。例如，假設(shè)忽略周向壓力梯度在葉高方向的變化時，在子午面中的主流流線上，周向的離心力與壓力梯度處于平衡狀態(tài)，然而在邊界層內(nèi)，由于邊界層內(nèi)較低的流體速度，周向的離心力不能與壓力梯度相平衡，這就導(dǎo)致了向吸力面運(yùn)動的二次流的產(chǎn)生。

在葉片前緣處產(chǎn)生的馬蹄渦也是影響葉片通道內(nèi)二次流的重要渦系。由于在葉片前緣滯止點(diǎn)處壓力梯度大于0，流體在靠近前緣的部位會產(chǎn)生減速。邊界層外的高速流體會進(jìn)入邊界層取代其中的低速流體，在壓力作用下，流動會向端壁發(fā)展。與此同時，原先靠近端壁的流體在強(qiáng)逆壓梯度下無法繼續(xù)附著在端壁上，流動產(chǎn)生了分離。這兩種流動現(xiàn)象的相互作用導(dǎo)致了馬蹄渦的形成，并在葉片通道內(nèi)分成兩支發(fā)展，如圖1所示?？拷~片壓力面的馬蹄渦分支在周向壓力梯度的作用下被推向相鄰葉片的吸力面。由于馬蹄渦與通道渦的旋轉(zhuǎn)方向相同，馬蹄渦被增強(qiáng)，靠近葉片和端壁的低能流體被吸入馬蹄渦內(nèi)。因此，馬蹄渦和通道渦成為了影響葉片通道內(nèi)流動損失的重要渦系。

圖1 通道內(nèi)馬蹄渦的發(fā)展

圖2 角區(qū)分離流場結(jié)構(gòu)

一個典型的角區(qū)分離流場結(jié)構(gòu)如圖2所示。分離在流向逆壓梯度下，端壁上的渦結(jié)構(gòu)形成了一個封閉的分離區(qū)，這個分離區(qū)由吸力面上的分離線和端壁上的分離線包裹構(gòu)成。同時，還可以清楚地觀察到分離區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的回流現(xiàn)象。通過端壁上的極限流線來觀察三維角區(qū)分離時不難發(fā)現(xiàn)，在吸力面和端壁上同時存在逆向回流，分離區(qū)內(nèi)的流動是極為復(fù)雜的。

在壓氣機(jī)中，三維角區(qū)分離根據(jù)其分離程度的不同，存在兩類流態(tài)，如圖3所示。左側(cè)的流態(tài)為三維角區(qū)分離，在這種流態(tài)下，流動分離較弱，分離區(qū)內(nèi)沒有回流堵塞，損失相對較小。右側(cè)的流態(tài)為三維角區(qū)失速，在這種流態(tài)下，流場內(nèi)存在大面積的回流堵塞區(qū)。由角區(qū)分離演變到角區(qū)失速的過程會引起壓氣機(jī)工作狀態(tài)的突變。

在多級壓氣機(jī)中，角區(qū)分離引起的流動堵塞還會極大地影響下游的流動狀態(tài)。通過對不同流量系數(shù)下角區(qū)分離對一個兩級壓氣機(jī)性能的影響的試驗(yàn)研究可以發(fā)現(xiàn)，從設(shè)計(jì)點(diǎn)到近失速點(diǎn)角區(qū)分離加劇，靠近端壁的損失也相應(yīng)加劇。角區(qū)分離所引起的堵塞極大地降低了周向平均軸向速度。上游轉(zhuǎn)子葉片的流動堵塞，引起了下游靜子葉片的入口氣流角的增大，由此引起了靜子葉片通道內(nèi)角區(qū)分離的產(chǎn)生。不難發(fā)現(xiàn)，在多級壓氣機(jī)中，級間的相互作用可能會引起巨大的總壓損失和流動堵塞，并最終導(dǎo)致壓氣機(jī)的失速和喘振。因此，三維角區(qū)失速是引起壓氣機(jī)總壓比降低、氣流過偏轉(zhuǎn)以及堵塞的重要原因之一。

壓氣機(jī)角區(qū)分離預(yù)測方法

目前，對三維角區(qū)分離/失速的預(yù)測方法主要是D因子法和數(shù)值模擬。

D因子法常用于壓氣機(jī)最初級的設(shè)計(jì)，可以提供最基本的參考。對壓氣機(jī)來說，D因子的取值應(yīng)小于0.6，以保證壓氣機(jī)處于一個穩(wěn)定的工作狀態(tài)，否則壓氣機(jī)會趨于失速。同時，為了保證壓氣機(jī)達(dá)到一定的載荷，D因子取值也不能過低。

目前，用于壓氣機(jī)角區(qū)分離研究的數(shù)值模擬方法主要有雷諾平均方法（RANS）、大渦模擬（LES）和分離渦模擬（DES）三類。隨著現(xiàn)代計(jì)算能力的提升，LES和DES在學(xué)術(shù)界已經(jīng)得到了比較普遍的應(yīng)用，圖4展示了角區(qū)分離渦與尾緣脫落渦之間相互作用的DES非定常數(shù)值模擬。理論上，對于復(fù)雜流動，在選取比較合適的湍流模型的前提下，LES和DES可以給出比較可靠的流場解，但這兩種方法的計(jì)算消耗通常過大，所以在葉輪機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，DNS和LES方法很難得到大規(guī)模的工程應(yīng)用，RANS方法目前仍然是最合適的工程計(jì)算手段。RANS計(jì)算的準(zhǔn)確程度與流動條件密切相關(guān)。普遍的觀點(diǎn)是，可以解決所有壓氣機(jī)相關(guān)流動問題的普適RANS模型是不存在的。目前常用的幾類湍流模型在角區(qū)分離流動的模擬中給出的結(jié)果往往不是很令人滿意，主要原因是在分離區(qū)內(nèi)湍流具有極其復(fù)雜的特性，例如，各向異性、非平衡態(tài)以及能量逆流，且越靠近壁面，這些復(fù)雜特性就越顯著，使得傳統(tǒng)RANS方法很難對流場進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測。

壓氣機(jī)角區(qū)分離流動控制技術(shù)

圖3 無角區(qū)失速和有角區(qū)失速情況下的極限流線圖

圖4 DES非定常數(shù)值解—角區(qū)分離渦與尾緣脫落渦之間的相互作用

為了降低流動損失，提高壓氣機(jī)性能和失速裕度，對壓氣機(jī)內(nèi)的三維角區(qū)分離進(jìn)行一定的流動控制是很有必要的。角區(qū)分離的流動控制技術(shù)也是目前主要的研究方向之一?；谑欠裣驂簹鈾C(jī)引入額外的能量，流動控制技術(shù)被分為主動控制和被動控制兩種。其中的一些流動控制技術(shù)已經(jīng)被運(yùn)用到實(shí)際的壓氣機(jī)設(shè)計(jì)中。

被動控制技術(shù)

被動控制技術(shù)包括旋渦發(fā)生器和葉根開槽。

旋渦發(fā)生器的原理是利用生成的高強(qiáng)度渦結(jié)構(gòu)，加強(qiáng)主流與端壁邊界層內(nèi)低能流體的摻混作用，從而提高邊界層內(nèi)流體動能，減少其在角區(qū)的堆積，從而抑制角區(qū)分離。旋渦發(fā)生器一般放置于葉片前緣上游附近，研究結(jié)果表明，在葉片前緣靠近吸力面一側(cè)引入穩(wěn)定的流向控制渦對角區(qū)分離的抑制作用最好。除此之外，控制渦的強(qiáng)度應(yīng)該具備自動調(diào)節(jié)機(jī)制，以適應(yīng)壓氣機(jī)不同工況下來流角度的變化。一種典型的旋渦發(fā)生器的安裝設(shè)置如圖5所示。

通過在葉根上開槽，如圖6所示，可以使流體在壓差的作用下由壓力面射向吸力面，將高能流體射入失速區(qū)，從而改善壓氣機(jī)性能。展向的高度、弦向位置、開槽數(shù)量以及槽的幾何形狀是4個影響開槽效果的關(guān)鍵因素。初步研究結(jié)果表明，在槽的位置、面積和形狀合適的條件下，葉根開槽可以有效地抑制角區(qū)分離，特別是在非設(shè)計(jì)工況，葉根開槽可以使壓氣機(jī)在寬迎角范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，從而擴(kuò)寬壓氣機(jī)穩(wěn)定工作范圍。

圖5 端壁上旋渦發(fā)生器的安裝設(shè)置及生成的控制渦

圖6 靜子葉片開槽幾何示意圖

圖7 4種不同的抽吸槽情況下的極限流線圖

主動控制技術(shù)

主動控制技術(shù)包括邊界層抽吸和等離子體控制。

邊界層抽吸是通過放置于葉片吸力面上不同位置、不同大小、不同方向的單個或組合槽，將靠近“吸力面—端壁”角區(qū)邊界層內(nèi)的低能流體抽走，從而減少角區(qū)內(nèi)低能流體的堆積，抑制三維角區(qū)分離。研究結(jié)果表明，在應(yīng)用單個抽吸槽的前提下，處于端壁上的抽吸槽會比處于吸力面上的抽吸槽更好地抑制靠近尾緣的分離現(xiàn)象。而在抽吸流量相同的情況下，往往組合槽會比單個抽吸槽更能有效地抑制角區(qū)分離，且抽吸流量越大，此趨勢越明顯。除此之外，在大抽吸流量的條件下，來流邊界層的抽吸對提升壓氣機(jī)性能更加有效。不同位置、不同大小的單個抽吸槽對角區(qū)分離的抑制作用如圖7所示。

等離子體控制是一種新型的流場控制方法，引入等離子體可以改變流場的局部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而改善壓氣機(jī)通道內(nèi)的流場結(jié)構(gòu)。最新的研究結(jié)果表明，等離子體的控制作用與其自身的頻率、電壓、充能密度等因素密切相關(guān)。等離子體電壓的提高會帶來更好的控制效果，但功率損失也會更大，同時當(dāng)電壓到達(dá)一定程度之后，等離子體的控制效果也會達(dá)到飽和。針對三維角區(qū)分離的流動控制，當(dāng)?shù)入x子體控制恰巧作用在角區(qū)分離點(diǎn)上游位置時，其對角區(qū)分離的抑制作用最強(qiáng)。在吸力面上等離子體控制不僅能抑制角區(qū)分離，還能在一定程度上抑制葉型分離現(xiàn)象。吸力面等離子體控制對流場的改善作用更強(qiáng)，能夠更好地減小總壓損失。而端壁上的等離子體控制能夠更有效地減弱流動堵塞，提升壓氣機(jī)增壓比。無論是在端壁還是在吸力面上，周向等離子體控制的效果都要遠(yuǎn)強(qiáng)于流向等離子體控制。

結(jié)束語

隨著數(shù)值計(jì)算能力的不斷提升以及先進(jìn)試驗(yàn)測試技術(shù)的應(yīng)用，對角區(qū)分離機(jī)理的認(rèn)識也愈發(fā)深入，而基于這些認(rèn)識所發(fā)展的各種主被動控制方法均實(shí)現(xiàn)了一定的控制效果。目前，角區(qū)分離的流動控制手段多用于葉片吸力面和端壁，吸力面流動控制可以增強(qiáng)吸力面邊界層流體抗分離能力，而端壁流動控制可以抑制通道內(nèi)橫向二次流，進(jìn)而減少低能流體向角區(qū)的堆積。然而，當(dāng)前大部分主被動控制方法的研究多是針對葉柵或單級低速壓氣機(jī)模型，其內(nèi)部流動與真實(shí)壓氣機(jī)內(nèi)部流動存在很大差異。同時，很多控制技術(shù)的研究僅著眼于其增益效果，未能客觀分析引入控制手段后可能對壓氣機(jī)產(chǎn)生的負(fù)面影響。綜上所述，角區(qū)分離流動現(xiàn)象極為復(fù)雜，影響其形成與發(fā)展的因素具有多樣性，針對壓氣機(jī)角區(qū)分離的主被動控制技術(shù)的研究，急需密切聯(lián)系工程實(shí)際開展進(jìn)一步的工作。