新型高性能航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)核心部件之一的壓氣機(jī)提出高負(fù)荷的設(shè)計(jì)需求。高負(fù)荷壓氣機(jī)葉片表面易產(chǎn)生流動(dòng)分離，進(jìn)而喪失做功能力并造成氣動(dòng)損失，其中損失主要是葉型和端壁損失。前期，研究人員針對(duì)如何降低端壁流動(dòng)損失開展了較多研究，但較少研究如何降低高負(fù)荷壓氣機(jī)葉型損失。針對(duì)這一問題，中國科學(xué)院工程熱物理研究所先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)自然界鯊魚表皮流向肋片結(jié)構(gòu)可降低流阻現(xiàn)象，提出了在壓氣機(jī)葉片表面安裝微型肋片結(jié)構(gòu)以降低葉型氣動(dòng)損失的研究思路。
研究人員借助開源CFD代碼OpenFOAM模擬壓氣機(jī)葉柵通道內(nèi)部流動(dòng)，比較大渦模擬結(jié)果與葉柵實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證擬使用數(shù)值方法的準(zhǔn)確性;將微型肋片結(jié)構(gòu)安裝到壓氣機(jī)葉柵吸力表面上，以降低摩擦阻力。通過對(duì)比施加肋片結(jié)構(gòu)前后壓氣機(jī)葉片邊界層流阻、內(nèi)部湍流擬序結(jié)構(gòu)和湍流脈動(dòng)變化特征，研究人員發(fā)現(xiàn)，肋片結(jié)構(gòu)可降低貼附湍流邊界層產(chǎn)生的氣動(dòng)損失，降損程度最高可達(dá)到20%以上。其背后的主要流動(dòng)機(jī)理來自兩方面：微型肋片可抑制湍流邊界層的側(cè)向脈動(dòng);肋片結(jié)構(gòu)的存在使得湍流邊界層內(nèi)部的湍流渦位置沿壁面法向抬升，導(dǎo)致湍流渦結(jié)構(gòu)與固壁的接觸面積降低。目前，研究人員正開展相關(guān)葉柵風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測量。
系列研究表明，微型肋片結(jié)構(gòu)在降低高負(fù)荷壓氣機(jī)葉型損失方面具有潛力，但仍需研究肋片結(jié)構(gòu)與邊界層轉(zhuǎn)捩的相互作用以及在三維復(fù)雜流動(dòng)環(huán)境下如何合理布置肋片等問題。
相關(guān)研究成果以Physical mechanisms investigation of sharkskin-inspired compressor cascade based on large eddy simulation method為題，發(fā)表在ASME Turbomachinery Technical Conference & Exposition 2020上。該研究得到博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃等的支持。
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