單級(jí)環(huán)境靜葉等離子體流動(dòng)控制機(jī)理仿真研究

吳陽(yáng)陽(yáng)，張?jiān)努|，馬彩東

(空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院，西安 710038)

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單級(jí)環(huán)境靜葉等離子體流動(dòng)控制機(jī)理仿真研究

吳陽(yáng)陽(yáng)，張?jiān)努|，馬彩東

(空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院，西安 710038)

在軸流壓氣機(jī)等離子體擴(kuò)穩(wěn)研究中，針對(duì)單轉(zhuǎn)子壓氣機(jī)流動(dòng)控制的研究較多，而針對(duì)單級(jí)環(huán)境下靜葉流動(dòng)控制的研究卻很少。采用靜葉輪轂軸向等離子體激勵(lì)方式，通過(guò)數(shù)值模擬方法研究單級(jí)環(huán)境下靜葉流場(chǎng)特性，揭示軸流壓氣機(jī)靜葉等離子體流動(dòng)控制擴(kuò)穩(wěn)機(jī)理。結(jié)果表明：等離子體激勵(lì)器的軸向位置對(duì)單級(jí)軸流壓氣機(jī)的擴(kuò)穩(wěn)效果影響顯著，越靠近葉片前緣，擴(kuò)穩(wěn)效果越好；布置在靜葉通道后半部的等離子體激勵(lì)器無(wú)法提高壓氣機(jī)的穩(wěn)定性，而在靜葉前緣施加軸向等離子體激勵(lì)時(shí)，近輪轂區(qū)氣流被誘導(dǎo)加速，主流的軸向速度提高，有效抑制了靜葉近輪轂區(qū)吸力面的流動(dòng)分離，靜葉近輪轂區(qū)的堵塞減小，使得單級(jí)軸流壓氣機(jī)的穩(wěn)定性提高。

等離子體流動(dòng)控制；靜葉；泄露流；流動(dòng)分離；數(shù)值模擬

0 引 言

等離子體流動(dòng)控制技術(shù)是基于等離子體氣動(dòng)激勵(lì)的新型主動(dòng)流動(dòng)控制技術(shù)，現(xiàn)已成為空氣動(dòng)力學(xué)和氣動(dòng)熱力學(xué)領(lǐng)域的研究前沿[1]。該技術(shù)具有激勵(lì)頻帶寬、響應(yīng)迅速、可控性好等優(yōu)勢(shì)，且對(duì)原有氣動(dòng)型面或流動(dòng)通道影響較小[2]。采用等離子體氣動(dòng)激勵(lì)，拓寬軸流壓氣機(jī)的穩(wěn)定工作范圍，探索等離子體氣動(dòng)激勵(lì)在軸流壓氣機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)控制機(jī)理，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)于等離子體流動(dòng)控制技術(shù)在壓氣機(jī)上的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行過(guò)諸多研究。例如，Y.Suzen等[3-4]采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，以Pak-B低壓渦輪葉柵為研究對(duì)象，開(kāi)展了等離子體激勵(lì)抑制葉柵吸力面流動(dòng)分離的研究，驗(yàn)證了等離子體氣動(dòng)激勵(lì)的有效性；S.Saddoughi等[5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了等離子體氣動(dòng)激勵(lì)對(duì)跨音速壓氣機(jī)穩(wěn)定性的影響，實(shí)現(xiàn)了約2%的擴(kuò)穩(wěn)效果；李應(yīng)紅等[6-7]以低負(fù)荷壓氣機(jī)葉柵為研究對(duì)象，采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了等離子體氣動(dòng)激勵(lì)的流動(dòng)控制效果，表明等離子體激勵(lì)可以抑制大攻角條件下壓氣機(jī)葉柵的流動(dòng)分離；趙小虎等[8]采用數(shù)值模擬和拓?fù)浞治龇椒?，研究了等離子體氣動(dòng)激勵(lì)對(duì)高負(fù)荷壓氣機(jī)葉柵的流動(dòng)控制作用機(jī)制，表明吸力面流向激勵(lì)主要作用于葉中流場(chǎng)，端壁橫向激勵(lì)主要降低角區(qū)流動(dòng)損失，且端壁橫向流動(dòng)對(duì)角區(qū)流動(dòng)分離結(jié)構(gòu)的影響大于吸力面附面層的分離；張海燈等[9]初步研究了納秒脈沖等離子體氣動(dòng)激勵(lì)在葉柵通道中的流動(dòng)控制機(jī)理，表明高亞聲速來(lái)流條件下，納秒脈沖等離子體氣動(dòng)激勵(lì)能夠降低葉柵通道出口的總壓損失，并改變流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于靜葉等離子體流動(dòng)控制的研究多是在葉柵實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的，與葉柵相比，軸流壓氣機(jī)中的靜葉是扭曲的，其載荷沿展向分布不均勻，存在間隙泄露流，其流動(dòng)是一種強(qiáng)三維、強(qiáng)剪切、強(qiáng)相互作用的湍流流動(dòng)，輪轂和機(jī)匣端壁的流動(dòng)存在較大差異且測(cè)量難度較大。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于單級(jí)軸流壓氣機(jī)靜葉的等離子體流動(dòng)控制研究仍鮮有報(bào)道。因此，本文采用三維數(shù)值模擬方法，在轉(zhuǎn)速為1 200 r/min條件下，探討單級(jí)靜葉等離子體流動(dòng)控制的作用機(jī)理。

1 計(jì)算模型

采用NUMECA生成計(jì)算域網(wǎng)格。主葉片通道為O4H型網(wǎng)格，葉片表面為O型貼體網(wǎng)格，進(jìn)出口部分均為H型網(wǎng)格。靜葉葉片的周向、徑向及流向網(wǎng)格數(shù)，參考網(wǎng)格無(wú)依賴性研究結(jié)果[10]。輪轂及靜葉葉根間隙的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中虛線框所圍區(qū)域?yàn)榫植考用軈^(qū)。

圖1 輪轂及靜葉葉根間隙的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

為了在靜葉葉根區(qū)域進(jìn)行等離子體流動(dòng)控制研究，對(duì)靜葉葉根區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，加密后靜葉葉片通道的網(wǎng)格總數(shù)為6 061 185。固壁面的最小網(wǎng)格尺度為1.0×10-6，以確保近壁面處的y+<2。

數(shù)值計(jì)算在ANSYS CFX Solver求解器中進(jìn)行，根據(jù)文獻(xiàn)[10]中定常計(jì)算的條件設(shè)置，并結(jié)合SST(Shear Street Transport)二方程湍流模型，求解相對(duì)坐標(biāo)系下守恒形式的三維Navier-Stokes方程。計(jì)算域的邊界條件如圖2所示，進(jìn)口邊界條件給定均勻的總溫298 K和總壓96 800 Pa，軸向進(jìn)氣；出口邊界條件給定中間葉高處的靜壓，通過(guò)徑向平衡方程確定出口靜壓的分布。固壁采用絕熱無(wú)滑移邊界條件，主通道周向?yàn)橹芷谛赃吔鐥l件。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格與邊界條件

介質(zhì)阻擋放電等離子體流動(dòng)控制的模擬，采用W.Shyy等[11]提出的等離子體體積力唯象學(xué)模型，通過(guò)將線性分布的體積力模型添加到控制方程的源項(xiàng)中，模擬等離子體激勵(lì)對(duì)整個(gè)流場(chǎng)的影響。唯象學(xué)模型如圖3所示，假設(shè)等離子體激勵(lì)對(duì)流場(chǎng)施加的電場(chǎng)力僅作用在高度為a、寬度為b的三角形AOB內(nèi)(a=1.5 mm，b=3.0 mm)，且該區(qū)域的電場(chǎng)力呈線性分布。根據(jù)理論分析和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，O點(diǎn)的電場(chǎng)力FeO最大，AB邊緣的電場(chǎng)力最小，電場(chǎng)力的方向平行于AB并指向斜下方。FeO的表達(dá)式為

FeO=ρeEOf1Δt

(1)

式中：ρe在三角形區(qū)域AOB內(nèi)假設(shè)為常數(shù)，ρe=1×1011/cm3；EO為O點(diǎn)電場(chǎng)強(qiáng)度的大小，EO=UO/d，其中UO為電極間施加的最大電壓，d為兩個(gè)電極的距離，d=0.25 mm；f1為射頻電源的頻率，f1=6 kHz；Δt為射頻電源一個(gè)激勵(lì)周期內(nèi)等離子體的作用時(shí)間，Δt=67 μs。上述參數(shù)的取值均與文獻(xiàn)[11]相同。

圖3 唯象學(xué)模型示意圖

AOB內(nèi)電場(chǎng)力Fe(x,y)的表達(dá)式為

Fe(x,y)=|Fe|= FeO-k1x-k2y

(2)

根據(jù)電場(chǎng)力在A點(diǎn)和B點(diǎn)的邊界條件可知：k1=FeO/b，k2=FeO/a，本文假設(shè)AB邊緣的電場(chǎng)力大小可忽略不計(jì)。根據(jù)電場(chǎng)線性分布可得：

(3)

式中：Fex、Fey分別為x方向和y方向的電場(chǎng)力。

W.Shyy等通過(guò)模擬等離子體氣動(dòng)激勵(lì)誘導(dǎo)壁面射流對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，其數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好[11]。根據(jù)目前實(shí)驗(yàn)測(cè)得的最大體積力[12]，設(shè)定Fe=300 mN/m。

2 仿真結(jié)果與分析

在靜葉近輪轂區(qū)周向布置等離子體激勵(lì)器，體積力方向?yàn)檩S向。為了確定最佳的等離子體激勵(lì)位置，采用定常數(shù)值模擬方法對(duì)六個(gè)不同軸向位置的等離子體激勵(lì)進(jìn)行分析。等離子體激勵(lì)器與輪轂區(qū)靜葉前緣的相對(duì)位置如圖4所示。

圖4 激勵(lì)器與輪轂區(qū)靜葉前緣的相對(duì)位置

圖中，2號(hào)激勵(lì)器位于靜葉葉片前緣，定義該激勵(lì)器的軸向位置為0；1號(hào)激勵(lì)器位于靜葉葉片上游，距離靜葉葉片前緣7 mm，其軸向位置為-7 mm；3、4、5、6號(hào)激勵(lì)器均位于2號(hào)激勵(lì)器下游，它們的軸向位置分別為7、14、21、28 mm。

轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，在靜葉近輪轂區(qū)不同軸向位置處施加等離子體激勵(lì)后，壓氣機(jī)的流量-總壓比特性線如圖5所示，可以看出：施加等離子體激勵(lì)后，單級(jí)軸流壓氣機(jī)的穩(wěn)定性得到提高。

圖5 1 200 r/min等離子體激勵(lì)后的流量-總壓比特性線

軸向位置對(duì)等離子體流動(dòng)控制效果的影響如表1所示，可以看出：等離子體激勵(lì)器的軸向位置z=0 mm，單級(jí)軸流壓氣機(jī)失速裕度的改進(jìn)量最大，為10.9%；軸向位置z=-7 mm，失速裕度的改進(jìn)量最小，為6.7%；軸向位置z=28 mm，等離子體激勵(lì)無(wú)法提高壓氣機(jī)的穩(wěn)定性。因此，等離子體激勵(lì)器的最佳軸向位置為z=0 mm。

表1 軸向位置對(duì)等離子體流動(dòng)控制效果的影響

為了進(jìn)一步揭示單級(jí)靜葉等離子體流動(dòng)控制的機(jī)理，對(duì)不同軸向位置處等離子體激勵(lì)的壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)特性進(jìn)行分析。軸向位置分別為7、14和21 mm等離子體激勵(lì)后，壓氣機(jī)失速裕度的改進(jìn)量基本相同，且等離子體激勵(lì)器的軸向位置位于靜葉前緣下游，因此，僅對(duì)靜葉葉片前緣下游z=14 mm(P4工況點(diǎn))等離子體激勵(lì)后的壓氣機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)特性進(jìn)行分析。NS、P1、P2、P4工況點(diǎn)靜葉尾緣出口截面的相對(duì)Ma分布如圖6所示。

(a) NS

(b) P1

(c) P2

(d) P4

從圖6可以看出：NS工況點(diǎn)，靜葉尾緣近輪轂區(qū)形成了較大的低速區(qū)，該低速區(qū)是由靜葉吸力面流動(dòng)分離產(chǎn)生的堵塞引起的；P1工況點(diǎn)，在靜葉近輪轂區(qū)軸向z=-7 mm處施加等離子體激勵(lì)，靜葉吸力面近輪轂區(qū)的低速區(qū)減小，單級(jí)軸流壓氣機(jī)的穩(wěn)定性提高；P2、P4工況點(diǎn)，分別在靜葉近輪轂區(qū)軸向z=0 mm、z=14 mm處施加等離子體激勵(lì)，靜葉吸力面近輪轂區(qū)的低速區(qū)消失，表明在靜葉近輪轂區(qū)施加等離子體激勵(lì)，可以改善靜葉吸力面近輪轂區(qū)的流場(chǎng)特性，從而改變單級(jí)軸流壓氣機(jī)的穩(wěn)定性。

不同工況點(diǎn)1%葉高的相對(duì)Ma分布云圖如圖7所示。不同工況點(diǎn)1%葉高的相對(duì)速度矢量分布如圖8所示。

(a) NS

(b) P1

(c) P2

(d) P4

(a) NS

(b) P1

(c) P2

(d) P4

從圖7～圖8可以看出：NS工況點(diǎn)，靜葉吸力面附近區(qū)域形成低馬赫數(shù)區(qū)，并出現(xiàn)大面積流動(dòng)分離，低馬赫數(shù)區(qū)對(duì)應(yīng)吸力面回流區(qū)，回流區(qū)的軸向速度較小對(duì)流場(chǎng)造成堵塞；P1工況點(diǎn)，在軸向z=-7 mm處施加等離子體激勵(lì)，誘導(dǎo)氣流加速，主流的軸向速度增大，促使靜葉吸力面的流動(dòng)分離程度降低，回流區(qū)的面積減小，對(duì)流場(chǎng)的堵塞程度降低；P2工況點(diǎn)，在軸向z=0 mm處施加等離子體激勵(lì)，葉片通道內(nèi)部的主流軸向速度增大，靜葉吸力面的流動(dòng)分離區(qū)完全消失；P4工況點(diǎn)，在軸向z=14 mm處施加等離子體激勵(lì)，誘導(dǎo)氣流加速，使得激勵(lì)器下游的主流軸向速度增大，抑制靜葉尾緣吸力面的流動(dòng)分離，但是由于激勵(lì)器無(wú)法對(duì)其上游主流加速，激勵(lì)器上游仍存在回流區(qū)并對(duì)主流形成堵塞。

不同工況點(diǎn)靜葉近輪轂區(qū)的泄漏流粒子示蹤如圖9所示。

(a) NS

(b) P1

(c) P2

(d) P4

從圖9可以看出：NS工況點(diǎn)，近輪轂區(qū)間隙泄漏流聚集在靜葉吸力面附近區(qū)域，由于受到靜葉吸力面回流區(qū)的卷吸而發(fā)生徑向遷移；P1工況點(diǎn)，在軸向z=-7 mm處施加等離子體激勵(lì)，近輪轂區(qū)間隙泄漏流的徑向遷移減弱，使其在近輪轂區(qū)吸力面附近區(qū)域的聚集程度降低；P2和P4工況點(diǎn)，分別在軸向z=0 mm和z=14 mm處施加等離子體激勵(lì)，誘導(dǎo)氣流加速，抑制了近輪轂區(qū)靜葉吸力面的流動(dòng)分離，間隙泄漏流順利移出葉片通道。

3 結(jié) 論

(1) 等離子體激勵(lì)器的軸向位置對(duì)單級(jí)軸流壓氣機(jī)的擴(kuò)穩(wěn)效果具有顯著影響。等離子體激勵(lì)器的軸向位置z=0 mm，單級(jí)軸流壓氣機(jī)失速裕度的改進(jìn)量最大，為10.9%；軸向位置z=-7 mm，失速裕度的改進(jìn)量最小，為6.7%；軸向位置z=28 mm，等離子體激勵(lì)無(wú)法提高壓氣機(jī)的穩(wěn)定性。

(2) 軸向等離子體激勵(lì)的擴(kuò)穩(wěn)機(jī)理可概括為：軸向等離子體激勵(lì)誘導(dǎo)近輪轂區(qū)氣流軸向加速，主流的軸向速度提高，有效抑制了靜葉近輪轂區(qū)吸力面的流動(dòng)分離，靜葉近輪轂區(qū)的堵塞減小，使單級(jí)軸流壓氣機(jī)的穩(wěn)定性提高。

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(編輯：馬文靜)

Numerical Research on Stator Plasma Flow Control Mechanism in a Single-stage Compressor

Wu Yangyang, Zhang Yunwei, Ma Caidong

(College of Aeronautics and Astronautics Engineering, Air Force Engineering University, Xi’an 710038, China)

There are so many studies about the rotor but little about the stator in the research of improving the stability of compressor with plasma flow control. The plasma incentive method at the stator blade surface is adopted, the flow field characteristics of the stator in a single-stage axial-flow compressor is researched and plasma flow control mechanism of the stator in a single-stage axial-flow compressor is revealed using numerical simulation. The results show that, the axial position of the plasma actuator has an important effect on the stability of compressor, the closer to the leading edge of the stator, the better of the stability. It cannot improve the stability of the compressor when the plasma actuator locates at back of the blade. Because when the plasma actuator locates at the front of the leading edge of the stator, the flow closed to the stator blade is accelerated, the velocity of the main flow increased, it can restrain the flow separation of the stator suction surface effectively and reduce the blockage area, and finally the stability of compressor is improved.

plasma flow control; stator; leak flow; flow separation; numerical simulation

2016-06-30；

2016-08-29

國(guó)家自然科學(xué)基金(51336011，51407197)

吳陽(yáng)陽(yáng),wyy01036@126.com

1674-8190(2016)04-471-06

V271.4

A

10.16615/j.cnki.1674-8190.2016.04.012

吳陽(yáng)陽(yáng)(1992-)，男，碩士研究生。主要研究方向：等離子體流動(dòng)控制。

張?jiān)努|(1991-)，男，碩士研究生。主要研究方向：等離子體傳感器。

馬彩東(1985-)，男，講師。主要研究方向：葉輪機(jī)械氣動(dòng)熱力學(xué)。