平面叶栅叶片表面附面层总压的实验研究

平面叶栅叶片表面附面层总压的实验研究

0叶栅流道内的流动测量航空技术的快速发展对航空车辆的性能提出了更高的要求。现代航空发动机的发展趋势是高效率、低油耗、宽工作范围和高晋升重量。为了满足航空发动机高推重比的发展趋势,高负荷压气机叶片和涡轮叶片得到广泛应用。作为发动机关键部件的压气机,其尺寸及重量在整台发动机中占有非常大的比重。因此,提高压气机性能对航空发动机发展起着至关重要的作用。叶片表面附面层和端壁附面层及其相互干扰,使流动损失增大。进口来流条件对叶片表面附面层的发展过程,层流附面层分离、层流到紊流的转捩、紊流附面层分离等有着十分重要的影响。长期以来,实验研究一直是叶轮机械中气动热力学研究的主要方法,风洞实验是其中一种重要的测量手段。早期实验叶栅内流动基于所谓的“控制体方法”,即只测量叶栅上、下游的流动,这种研究方法显然无法解释流动损失产生的机理。随着研究重点的变化,研究需要了解整个叶栅内部的流动状况,叶栅流道内的测量也慢慢展开,直到现在,利用高科技仪器已经可以较为准确的测量叶栅流道内的数据。目前,国内外对附面层的研究多采用数值模拟与实验相结合的方法。实验方法有很多种,例如Pitot管、热线风速仪、粒子图像测速仪(PIV)等。Pitot管可以测定附面层速度分布及转捩点位置;热线风速仪可以测量层流或紊流附面层内的速度分布且可以用于很薄的附面层测量,但是热线风速仪的热线探头和其支架对流动有一定的影响;随着流动显示技术的发展,粒子图像测速仪(PIV)逐渐应用于附面层测量,PIV技术具有非常显著的优点:突破了单点测量技术的局限性,除了颗粒之外,对流动没有干扰。但是PIV技术也有其缺点:要测量靠近壁面的点比较困难,对相机等设备的要求极高,对较为稳定的湍流附面层测量效果好,层流附面层测量较为困难,且整套设备价格比较昂贵。在大多数附面层研究实验中经常采用稳压箱总压近似代替附面层内的总压,这一近似对实验结果产生一定的影响,本文在实验过程中采用附面层内总压测量叶片表面附面层内真实的总压以期能够改善实验结果,为平面叶栅叶片表面附面层的研究提供更为准确的实验支持。1实验和实验材料的设计1.1来流攻角的选取本文实验台为西北工业大学翼型叶栅空气动力学重点实验室的高亚音速连续式平面叶栅风洞,该风洞主要由气源、稳压段、收敛段、实验段、端壁附面层抽吸装置和调控系统等六大部分组成。实验叶栅为可控扩压叶栅,叶型弯曲度较小,其结构参数如表1所示。实验分别对叶片吸力面、压力面进行测量,实验进口马赫数分别为0.60、0.71;来流攻角分别为0°、4°、-4°。由于附面层总压探针每次只能测量一个点,因此实验中必须选取大量不同的测量点进行实验,测量点根据实验要求及实验条件按以下原则选取:(1)叶高方向上因为所测叶栅是直叶栅,原计划沿叶高方向分别取40%、50%、60%三个位置处进行附面层内总压的测量,然而实验过程中发现工作量相当大难以完成,并且通过前期实验比较得出三个测点处所测压力基本相同,同时为尽量减少总压探针伸入叶栅通道内造成的损失,因此最终实验中选取沿叶高方向40%点处进行总压测量;(2)沿叶展方向上实验中发现由于探针移动受到叶栅及测量机构尺寸的限制,使得实验中吸力面只能测得从前缘点开始弦长的50%、60%、70%、80%、90%共5个测点;压力面只能测得从前缘点开始弦长的10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%共7个测点;(3)沿叶片表面的法线方向沿叶片表面法线方向移动时,从叶片表面开始逐渐移动探针,每次移动0.1mm。当总压探针所测总压与主流区内总压基本相同时认为总压探针已移出附面层进入主流区。1.2实验设备的设计1.2.1叶栅板开槽的安装实验叶栅根据给定的参数加工,同时实验要求测量吸力面、压力面附面层内的总压,因此在设计实验件时,考虑在两侧栅板上开槽,位置在所测叶片及相邻叶片之间,在两侧栅板开槽,一侧安装透明视窗,并结合摄像头及显示器以实现探针在叶栅内位置及移动状态的观测;另一侧安装总压探针座,用固定装置将总压探针深入附面层内,并结合挡板等辅助设施实现总压探针的安装及开槽处的堵漏。在叶片的一侧端壁安装了静压针,通过压力扫描阀实现静压的测量。1.2.2总压探针的安装压力面、吸力面附面层内总压的测量分别采用不同的总压探针,因此总压探针分压力面总压探针及吸力面总压探针,如图1所示。实验时将总压探针安装在总压探针安装座内,再将整套装置安装在栅板槽内。实验过程中在附面层内沿叶片表面法线方向调节总压探针,以总压探针与叶片表面接触且探针不发生弹性变形时为第一次测量位置,为尽量保证移动的精确度,采取用千分尺逐渐推进的方法移动探针,如图2所示。由于总压探针安装在叶栅通道内之后会对通道内气流产生影响,因此在设计测针时测孔处尺寸非常小且长度略长,这样可以使测针对气流的影响尽量向后延伸,测孔处气流受影响较小。2片吸力面、压力面附面层厚度的影响本次实验同时测得了叶片表面静压及附面层内总压,为了进一步分析来流条件对叶片吸力面、压力面附面层厚度的影响,根据气流参数的关系计算相关参数,计算公式如下:式中:δ1为附面层位移厚度;θ为动量厚度;H为形状因子;u为附面层速度;Ue为附面层厚度;δ为主流区速度,同时对相关参数进行了对比分析。2.1压力面附面层厚度的变化由于实验的目的在于考察来流条件对叶片表面附面层的影响,因此实验中采用不同马赫数、不同来流攻角,分别对叶栅叶片吸力面、压力面附面层进行各参数的测量,攻角选取-4°、0°、4°,马赫数选取0.60、0.71。不同来流条件下叶片吸力面表面附面层位移厚度曲线如图3所示。从上图可以看出,来流攻角对叶片吸力面表面附面层位移厚度的影响非常大。位移厚度的整体变化趋势为:随着测点位置向出口方向不断移动,位移厚度逐渐增加。来流攻角为0°与-4°时,位移厚度曲线变化趋势相近,呈现出先下降后上升的趋势,此时附面层位移厚度很薄,随着测点逐渐向出口的移动损失逐渐增加,因此当测点移至弦长比70%之后位移厚度增加。图中显示随着马赫数的变化叶片表面附面层位移厚度的变化幅度较小,不同马赫数下位移厚度的变化趋势基本相同,马赫数为0.71时附面层位移厚度值低于马赫数0.60时,这说明随着马赫数的增加附面层厚度降低。不同来流条件下叶片压力面附面层位移厚度曲线如图4所示。从上图可以看出,来流攻角发生变化时附面层位移厚度曲线变化非常明显。当攻角为0°时,随着测点向出口方向的移动,附面层位移厚度逐渐增加。这是因为当攻角为0°时气流在叶栅通道内的流动较为顺畅,此时附面层厚度主要受流动损失的影响。不同马赫数、相同攻角下附面层厚度的变化趋势基本相同,又由于压力面附面层厚度非常薄,因此随着马赫数的变化压力面附面层位移厚度变化很小。通过图3、图4对比分析可以得出以下结论:吸力面、压力面附面层位移厚度曲线变化趋势存在许多不同之处,与压力面相比吸力面附面层位移厚度较厚,这说明附面层主要存在于吸力面表面。当攻角为4°时吸力面位移厚度最厚,与之相反攻角为-4°时压力面位移厚度最厚。叶片吸力面表面附面层厚度相关参数曲线(形状因子、动量厚度)如图5所示。通过对图5对比分析可以看出吸力面表面附面层的分离情况。当来流攻角为0°时,附面层厚度整体较小且上升趋势较为平滑,这说明附面层内流动以层流为主,图5(a)中在弦长比70%左右的位置处形状因子出现了小幅波动,此时气流出现了流动不稳定状态,之后附面层动量厚度呈逐渐上升趋势,如图5(b)所示。当攻角为4°时,图5(a)中在弦长比70%位置处形状因子下降这说明此时附面层从层流附面层过渡为紊流附面层,形状因子在1.5左右,附面层已经发生分离,在80%处附面层重新附着,附面层分离导致附面层动量厚度急剧增加,当附面层重新附着后动量厚度有所降低。当攻角为-4°时,附面层在弦长比80%之后发展为完全湍流,但是附面层分离未必发生。叶片压力面表面附面层厚度相关参数曲线(形状因子、动量厚度)如图6所示。从上图可以看出,不同攻角下压力面附面层动量厚度及附面层分离情况。当来流攻角为0°时,随着测点位置向出口方向移动,附面层动量厚度急剧增加,此时附面层迅速发展成为完全湍流,叶片表面压力大幅下降。当来流攻角为4°,在进口处的小部分区域内附面层动量厚度及形状因子均有小幅度的下降,这是因为在进口处压力面表面存在一个压力较高区域。在弦长比40%附近的区域附面层内气流流动不稳定产生了分离气泡,弦长比50%左右分离气泡消失,附面层重新附着。由图6(b)中可以看出,当附面层发生分离时动量厚度急剧增加,叶片表面压力下降,当附面层重新附着后动量厚度降低,叶片表面压力上升。当来流攻角为-4°时,附面层动量厚度整体较厚,在弦长比40%之前附面层动量厚度曲线比较起伏,分析原因可能是在这个来流条件下附面层流动不太稳定。叶片吸力面、压力面表面总压曲线如图7、图8所示。通过与附面层厚度曲线的对比可以看出,总压曲线的变化趋势与附面层厚度曲线的变化趋势相反。2.2压力面附面层内气流速度分布马赫数为0.71时,不同攻角下叶片表面附面层速度分布曲线图如图9、图10所示,图中:h为离开叶片表面方向的距离;为气流速度;10%~90%分别为从前缘起沿弦长的各测点位置。吸力面附面层气流速度分布曲线如图9所示。从上图可以看出,随着测点位置向出口移动附面层厚度逐渐增加,而附面层内的速度却随着测点位置向出口移动逐渐降低。从图9(a)可以看出,当攻角为0°时,测点在弦长比50%处时附面层厚度为0.8mm,此后随着测点位置向出口移动附面层厚度逐渐增加;当测点位置在弦长比90%处时附面层厚度已经增加至2.5mm,而附面层内的速度却随着测点位置向出口移动逐渐降低,最大速度从50%处210m/s降低至90%处的180m/s。当攻角为4°时,从弦长比70%至出口之间附面层厚度变化不大,附面层厚度为2mm,之后进入主流区气流速度变化趋于平缓,基本保持在200m/s左右;弦长比50%及60%两处在附面层厚度内随附面层厚度的增加附面层内气流速度变化很大,当进入主流区之后气流速度变化很小,基本保持240~250m/s。图9(c)可以看出当来流攻角为-4°时,附面层厚度沿弦长方向变化不大,保持在1.2mm左右,主流区内气流速度沿弦长方向逐渐降低。压力面附面层内气流速度分布曲线如图10所示。从上图可以看出,来流攻角对附面层厚度及附面层内的气流速度影响非常大。从图10(a)可以看出,当攻角为0°,测点在弦长30%之后时,附面层厚度为1mm左右,此后随着测点位置向出口移动附面层厚度变化不大,近壁面处气流速度随着测点位置向出口移动大幅降低,从10%处的205m/s降低至90%处的160m/s;当攻角为4°时,附面层较薄大约0.4mm,且沿弦长方向附面层厚度变化不大;当进入主流区之后沿弦长方向气流速度变化较大,变化范围为185~210m/s;当攻角为-4°时,附面层内气流速度变化范围为155~200m/s,主流区内气流速度变化范围为180~200m/s。3马赫数对附面层生长的影响(1)与来流马赫数相比,来流攻角对叶片表面附面层厚度影响较大。随着测点位置向出口方向的移动,附面层位移厚度整体呈上升趋势,附面层内气流速度逐渐下降。叶片吸力面附面层位移厚度呈先下降后上升趋势。与吸力面相反,压力面附面层位移厚度呈现先上升后下降的趋势。随着马赫数的增加,附面层位移厚度有所降低,但是从整体来看,马赫数的变化对附面层的影响幅度较小(2)叶片吸力面附面层以层流为主,在弦长比一定位置处出现了流动不稳定状态,之后发展为完全湍流。在负攻角下随着测点位置