基于敏感性分析的平面叶栅分离剪切流失稳控制研究

The planar cascade is the basic physical model and key component for turbomachineries. The flow instability is the main problem affecting the performance of the cascade and the operational stability of the turbomachinery, which could be caused by the unsteady fluctuation resulted from the destabilization of the separated shear layer. Most of the current researches focus on the analysis of flow pattern for the unsteady flow, while there are relatively less studies on the key scientific problems including the characterization of the unstable mode perturbation and its sensitivity pattern.. The project is based on the adjustable inlet guide vanes used in centrifugal compressors as the research background, and performs systematic and comprehensive study on the destabilization and control of the separated shear layer flow in the planar cascade through the stability and sensitivity analysis, unsteady flow simulation and experiment. The influences of the incoming flow pattern and geometrical parameters of the planar cascade on the unstable mode perturbation are analyzed; the temporal-spatial correlation between the unsteady flow fluctuation and the unstable mode perturbation is established; the spatial distribution pattern of the sensitivity vector quantity is revealed; the flow control in suppressing the flow fluctuation is realized; the effects of control strategy and parameters are studied. The inherent mechanism of the destabilization of the separated shear layer flow in the planar cascade is revealed from the distinctive viewpoint of the development of the perturbation, which provides new ideas in the controlling of separated flow destabilization in the adjustable inlet guide vanes.

平面叶栅是透平式叶轮机械的基本物理模型和重要组成部分，流动不稳定是影响叶栅性能和叶轮机械运行稳定性的关键难题，其主要原因之一是分离剪切流失稳导致的流动非定常波动。目前国内外研究主要集中于流动失稳后非定常流动规律的分析，但对失稳过程中不稳定模态扰动的表征及其敏感性特征等关键科学问题的研究较少。. 项目以离心压缩机可调进口导叶为研究背景，从稳定性和敏感性分析、非定常计算和实验等方面对其基本模型——平面叶栅的内部分离剪切流失稳及流动控制策略开展系统深入的研究。分析来流条件和叶栅几何参数对不稳定模态扰动特征的影响，建立流动非定常波动与不稳定模态扰动发展的时空关联，揭示敏感性矢量参数的空间分布规律，实现抑制非定常波动的流动控制，掌握控制方式和参数对控制效果的影响。从扰动发展这一独特角度揭示平面叶栅分离剪切流失稳的力学机理，为实现可调进口导叶分离流动失稳控制提供全新思路。

本项目以叶轮机械通流部件的基本模型——叶栅为对象，采用高精度直接数值模拟和全局稳定性-敏感性分析方法，研究非零攻角来流条件下叶栅内部流动的分离、失稳、转捩和湍流发展过程，重点分析分离剪切流失稳的时空发展过程，揭示其失稳机理，为以抑制流动失稳为目的的流动控制提供理论支撑。. 项目组开展了四个方面的研究工作：全局稳定性-敏感性分析的算法发展和程序开发、钝体/钝体群大尺度分离流的失稳研究、平面叶栅分离剪切流的非定常性和稳定性-敏感性特征研究、离心风机和离心叶轮内部不稳定流动规律研究。. 项目组开发了适用于复杂几何计算域的直接数值模拟程序和二维/准三维/三维全局稳定性-敏感性分析程序，通过复杂钝体/钝体群和翼型绕流算例进行程序验证，获得了与基准计算和实验相一致的结果。对无限大/有限空间内单钝体/钝体群绕流的非定常波动和分离流失稳开展了系统深入的研究，分析钝体几何形状和布置方式对流动结构及其波动规律、大尺度分离流的稳定性和敏感性特征的影响，结果表明合适的钝体圆角可以有效提高绕流失稳的临界雷诺数，提高流动稳定性。开展了平面叶栅内部层流-湍流转捩流动的直接数值模拟，研究了叶片壁面曲率变化、叶栅稠度和来流攻角对层流-湍流转捩和湍流发展过程的影响，重点分析叶片表面的流动分离特征及其对局部涡结构统计参数的影响规律，对局部三维流动、三维分离-再附、大尺度涡破碎为小尺度涡及其能量传输规律、湍动能生成-输运-耗散规律进行了系统研究，结果表明层流-湍流转捩不仅取决于局部壁面曲率，还受到沿流向的曲率变化方式的影响。将对叶栅内流失稳的研究拓展到真实叶轮机械，开展了小型多翼离心风机和离心叶轮内部流动的数值研究，分析了蜗舌半径对风机内部流动不稳定性的影响、失速和非失速流道内多尺度涡的生成-失稳-发展-耗散全过程及其三维演化规律，对以抑制流动不稳定为目的的叶轮机械设计有一定借鉴意义。