一种压气机叶栅损失计算方法技术

本发明专利技术公开了一种压气机叶栅损失计算方法，通过本发明专利技术所提出的压气机叶栅损失评估方法，可以大致判断计算出压气机叶栅内由于各种涡团消耗以及附面层摩擦等各类损失的大小及所占比例，可以用于判断压气机叶栅内的主要损失源是什么，从而对压气机内的流动机理把握以及后期的压气机叶栅内的流动控制提供理论指导。

A compressor cascade loss calculation method

The invention discloses a compressor cascade loss calculation method, through the compressor cascade loss for the proposed assessment method, we can identify the calculated in the compressor cascades due to various vortex consumption and boundary layer friction loss and other types of the size and proportion, can be used to judge what is the main source of loss of compressor in the cascade, so as to provide theoretical guidance for the compressor internal flow mechanism and grasp the later period of the compressor cascade flow control.

【技术实现步骤摘要】
一种压气机叶栅损失计算方法
本专利技术属于叶轮机领域，具体涉及一种压气机叶栅损失计算方法。
技术介绍
在压气机叶栅中，由于叶片压力面和相邻吸力面的压差以及端壁流体的低速特性，因此会在端壁处产生强烈的横向流动。加之前缘马蹄涡的诱导和端壁角区复杂的壁面剪切效果，由此导致通道内的通道涡不断发展壮大，并在叶片吸力面产生明显的分离线，诱使集中脱落涡产生，因而导致低速区在角区的堆积进而扩展到整个叶展区。特别是在大攻角的情况下，通道涡涉及范围更广，低速区堆积更为严重，由此产生严重的角区分离现象。因粘性涡团间的相互剪切而导致了较大的能量消耗，出现了明显的损失集中区。同时，该角区分离现象不但会使叶栅效率下降，还会由于角区分离诱发整级压气机的失速现象，进而导致喘振问题。因此，为了设计出高性能高效率的压气机，有必要对叶栅内的角区分离的损失展开相关研究并加以控制。目前，对叶栅角区的评估还主要集中在基于总压的损失系数loss的方法。其中loss的定义如下式：式中pt，p分别表示总压与静压，Loss是以进口叶展中部静压与动压为参照进行构造的，即下角标in,m表示进口叶中展位置的数据。目前的通用方法在于通过某截面的loss分布云图或loss沿展向的周向平均数据来表征通道内的损失大小，认为loss绝对值小的地方损失小。但该方法存在两个弊端，其一，由总压估算的损失表现为损失的不断积累情况，即气流由叶栅进口不断流过整个叶栅直到流经测量点处在这整个流经过程总共产生的损失大小，而并不能就某体积单元情况表征该单元内由于气流黏性所产生的损失大小。其二，该方法只能大概表征损失的大小情况，但由于压气机叶栅通道内主要有通道涡，角涡，集中脱落涡以及尾迹低能区等涡系结构，且损失也主要集中在某几个区域，单纯的loss系数方法并不能将损失与通道内的涡系结构相结合。因此，有必要对现有的叶栅损失分析方法进行改进。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：本专利技术目的在于解决目前压气机叶栅内损失分析方法不完善的现状，因此，提出了一种基于耗散函数对不同区域进行体积分的压气机叶栅损失分析方法，通过该方法，能准确计算空间各区域的损失大小，同时，该方法与压气机内的涡系结构相结合，能较准确地计算并区分流道内如通道涡，角涡以及近壁面剪切作用区域等不同区域的损失大小。此外，该方法与常规的基于总压损失的方法不同，该方法直接基于耗散函数，其损失大小仅与该位置处的变形与剪切强弱有关，而不存在损失累积的问题。本专利技术的技术方案是：一种压气机叶栅损失计算方法，包括以下步骤：步骤一：对起点为叶栅前缘，终点为叶栅尾缘后40％弦长之间的区域，依据轴向涡量的正负、各分离线和附着线位置和壁面距离进行涡场区域划分，分别划分为通道涡区域、吸/压力面角涡区域、集中脱落涡区域、尾缘脱落涡区域、近壁面摩擦损失区域和其它区域，划分定义如下：通道涡区域：位于整个通道内，贴近端壁，轴向涡量为负，展向高度为端壁至通道涡分离线之间；近壁面摩擦损失区域：位于端壁处、叶片吸力面靠近壁面位置处和叶片压力面靠近壁面位置处，其壁面距离大小为毫米量级，轴线涡量为正；吸/压力面角涡区域：位于在叶片吸/压力面与端壁的交界处，轴向涡量为正；展向高度为端壁至角涡分离线之间，周向区域为叶根至角涡附着线之间；尾缘脱落涡区域：位于于尾缘后的尾迹区，展向位置位于集中脱落涡和角涡之间的轴向涡量为正的区域；集中脱落涡区域：在叶栅前缘至尾缘区，在叶片吸力面的分离线之后，在叶展方向上靠近叶中部分，位于通道涡之上，轴向涡量表现为正；其它区域：除以上描述区域以外的自叶片前缘到尾缘后的40％弦长位置的区域；步骤二：对步骤一中所划分的区域进行损失积分：对耗散函数进行对应区域的体积分，计算出各区域的损失大小，从而获得各个涡结构所产生的损失。专利技术效果本专利技术的技术效果在于：通过本专利技术所提出的压气机叶栅损失评估方法，可以大致判断计算出压气机叶栅内由于各种涡团消耗以及附面层摩擦等各类损失的大小及所占比例，可以用于判断压气机叶栅内的主要损失源是什么，从而对压气机内的流动机理把握以及后期的压气机叶栅内的流动控制提供理论指导。附图说明图1叶栅尾缘后40％弦长位置LOSS分布等值线图图2叶栅前缘20％弦长位置轴向涡量分布等值线图及分区示意图图3叶栅前缘50％弦长位置轴向涡量分布等值线图及分区示意图图4叶栅尾缘后20％弦长位置轴向涡量分布等值线图及分区示意图附图标记说明：对图1：A-压气机叶栅叶片B-压气机叶栅轮毂C-叶片前缘D-叶片尾缘E-叶片尾缘后40％轴向位置截面对图2-4：1-吸力面角涡区域2-压力面角涡区域3-近端壁摩擦损失区域4-近吸力面摩擦损失区域5-近压力面摩擦损失区域6-通道涡区域7-集中脱落涡区域8-尾缘脱落涡区域9-涡量补偿区10-其它区域具体实施方式首先需要说明的是，耗散函数定义为：公式中，μ指动力粘度，表示vi方向上的速度分量在j方向上的梯度，如表示速度分量vx在y方向上的梯度大小通过欧拉方法，对流场区域内的某微小单元，计算其耗散函数的大小，便可以获得由于该微小单元变形伸缩，剪切变形等黏性因素所产生的损失大小。同时，借助耗散函数对空间特定区域进行积分，则可以计算出该区域内由于流体黏性所产生的损失大小。那么，按照损失类型的不同对流场区域进行划分，并对该区域用耗散函数进行体积分，便可以区分并获得流场内不同区域及不同损失类型所产生的损失大小，通过对不同区域损失大小的比较，便可以获得流场内的主要损失源，为后续的叶栅流动情况以及流动控制机理的揭示提供理论基础。那么，问题的难点便转化为如何对叶栅流场区域进行划分。过去的研究表明，压气机叶栅通道内的损失主要为近壁面的摩擦损失区以及通道内不同涡结构内的强烈的剪切产生的二次流损失，因此，本专利技术主要针对压气机叶栅内的涡结构特点对叶栅流道区域进行划分。本专利技术所考虑的流场区域为叶栅前缘开始至尾缘后40％弦长位置处。因为叶栅前缘之前区域为稳流段，损失较小，而40％之后区域流场掺混严重，各涡系无法较好识别，所以，本专利技术仅考虑叶栅前缘至尾缘后40％弦长的流场区域。目前常见的压气机叶栅涡结构模型认为在压气机叶栅内主要包括前缘马蹄涡，通道涡，吸/压力面的角涡，叶片表面集中脱落涡，尾缘脱落涡。考虑到马蹄涡仅影响叶栅前缘区域，涡结构较小，因此，在对涡影响区域的划分中忽略马蹄涡的影响，即主要就通道涡，吸/压力面角涡，叶片表面集中脱落涡和尾缘脱落涡这几种涡结构，将叶栅流道划分为上述几种涡影响区域及除此之外的其它区域。同时，由于叶栅轮毂及叶片壁面附近的近壁面区域也存在较大的摩擦损失，因此也需要将其独立出来。最后，将流场区域划分为以下几块：通道涡区域，吸/压力面角涡区域，集中脱落涡区域，尾缘脱落涡区域，近壁面摩擦损失区域及其它区域。判断区分各区域的判据主要有：轴向涡量的正负，各分离线和附着线位置，壁面距离。其各区域的特点如下；1.通道涡区域：位于整个通道内，贴近端壁侧，影响范围最广，轴向涡量为负，其展向位置可由吸力面上的通道涡分离线大致判断。关于分离线以及下文附着线的相关介绍，这里不再赘述，可以参考AlexanderHergt的相关文献(HeydornA,etal.EffectsofVortexGeneratorApplicationonthePer本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压气机叶栅损失计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：对起点为叶栅前缘，终点为叶栅尾缘后40％弦长之间的区域，依据轴向涡量的正负、各分离线和附着线位置和壁面距离进行涡场区域划分，分别划分为通道涡区域、吸/压力面角涡区域、集中脱落涡区域、尾缘脱落涡区域、近壁面摩擦损失区域和其它区域，划分定义如下：通道涡区域：位于整个通道内，贴近端壁，轴向涡量为负，展向高度为端壁至通道涡分离线之间；近壁面摩擦损失区域：位于端壁处、叶片吸力面靠近壁面位置处和叶片压力面靠近壁面位置处，其壁面距离大小为毫米量级，轴线涡量为正；吸/压力面角涡区域：位于在叶片吸/压力面与端壁的交界处，轴向涡量为正；展向高度为端壁至角涡分离线之间，周向区域为叶根至角涡附着线之间；尾缘脱落涡区域：位于于尾缘后的尾迹区，展向位置位于集中脱落涡和角涡之间的轴向涡量为正的区域；集中脱落涡区域：在叶栅前缘至尾缘区，在叶片吸力面的分离线之后，在叶展方向上靠近叶中部分，位于通道涡之上，轴向涡量表现为正；其它区域：除以上描述区域以外的自叶片前缘到尾缘后的40％弦长位置的区域；步骤二：对步骤一中所划分的区域进行损失积分：对耗散函数进行对应区域的体积分，计算出各区域的损失大小，从而获得各个涡结构所产生的损失。...

【技术特征摘要】
1.一种压气机叶栅损失计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：对起点为叶栅前缘，终点为叶栅尾缘后40％弦长之间的区域，依据轴向涡量的正负、各分离线和附着线位置和壁面距离进行涡场区域划分，分别划分为通道涡区域、吸/压力面角涡区域、集中脱落涡区域、尾缘脱落涡区域、近壁面摩擦损失区域和其它区域，划分定义如下：通道涡区域：位于整个通道内，贴近端壁，轴向涡量为负，展向高度为端壁至通道涡分离线之间；近壁面摩擦损失区域：位于端壁处、叶片吸力面靠近壁面位置处和叶片压力面靠近壁面位置处，其壁面距离大小为毫米量级，轴线涡量为正；吸/压力面角涡区...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘凯，楚武利，迟志车，滕鑫，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61