涡动力学参数诊断在内流风扇设计中的初步应用

涡动力学参数诊断在内流风扇设计中的初步应用涡动力学参数诊断在内流风扇设计中的初步应用吴宏李秋实吴介之周盛北京航空航天大学北大工程研究院

所谓“外流是内流的老师” • 将边界涡量动力学理论及诊断参数BVF等首次引入到内流风扇/压气机诊断与设计中，揭示常规手段不易发现的设计缺陷，从而指导设计。

一、跨声速风扇转子的BVF优化 • 二、涡量诊断在风扇通流设计中的应用

BVF诊断 吸力面静压分布吸力面BVF分布 • 叶片前尾缘易出现BVF峰值，且激波位置会出现明显的正峰值 • 叶片BVF诊断可以揭示出流场旋涡产生的根源

BVF优化方法 对于叶轮机其轴向力矩可用BVF表达为：加功量为其中，为 BVF轴向分量，是对叶片表面进行BVF诊断的物理量。

优化模型 • 目标函数 • 优化参数基元级二维叶型中弧线三次多项式系数 • 约束条件（1）前缘固定（2）尾缘固定

优化结果 • 特性曲线对比 • 在整个工况范围内，压比、效率都有所提高

叶型对比 叶根叶中叶尖

优化前后BVF分布对比 原型峰值效率点优化后峰值效率点叶中激波位置BVF正峰值区域面积减小激波位置后移，强度变弱

BVF对轴向力矩净贡献对比 原型峰值效率点优化后峰值效率点 • 叶中激波位置，BVF对轴向力矩负贡献区域面积减小

近叶尖流场相对马赫数分布对比 原型峰值效率点优化后峰值效率点 • 分离区减小，激波位置后移，激波强度减弱，流场流动情况改善

一、跨声速风扇转子的BVF优化 • 二、涡量诊断在风扇通流设计中的应用

子午面涡量诊断 周向涡量分布优化后原型

轴向涡量分布 优化后原型

熵分布 原型优化后

子午面涡量诊断能反映出较大损失的区域，与熵分布有相似性子午面涡量诊断能反映出较大损失的区域，与熵分布有相似性 • 通流设计（叶轮机械初始设计）求解的是子午面流动，考虑在风扇通流设计阶段，优化加功量分布以控制涡量分布，以期在三维分析中得到好的效果。加功量

超高负荷风扇设计算例 • 设计 A 和 B 转子尾缘环量沿径向分布一致设计 A --------环量沿轴向线性分布设计 B --------环量沿轴向余弦曲线分布环量在转静子内部的轴向分布转子尾缘环量沿径向分布

通流设计涡量诊断对比 周向涡量轴向涡量设计 A 设计 B

转子三维粘性计算结果 1、性能对比

转子三维粘性计算结果 2、子午面涡量分布周向涡量轴向涡量设计 A 转子设计 B 转子

转子三维粘性计算结果 3、子午面熵分布 4、流场相对马赫数分布叶根设计 A 转子设计 B 转子

转子三维粘性计算结果 4、流场相对马赫数分布叶中叶尖设计 A 转子设计 B 转子

结论 • 1、叶片表面BVF诊断可以揭示出流场旋涡产生的根源，优化叶片BVF分布有利于改善流场品质。 • 2、在通流设计阶段进行涡量诊断，可以预测三维流场的质量，为初始设计提供了一个新的评判依据，节省设计时间和成本。 • 3、引入涡动力学参数诊断对于进一步提高风扇负荷是有利和可行的，该方法运用在航空发动机中在国际上尚属首次。

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涡动力学参数诊断在内流风扇 设计中的初步应用