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航空涡轮发动机高推重比的发展方向对压气机部件性能提出了更高的要求。如何控制高负荷导致的大尺度流动分离已成为叶栅气体动力学研究中的重要课题。本课题组提出了一种基于MEMS技术新理念无源微脉冲射流器,本论文着眼于微脉冲射流器研制及其应用于控制气流分离的基础研究。
首先采用数值模拟的方式研究分析某典型压气机叶栅通道流场及某二元大扩压度通道以得到其气流分离的定常及非定常特征参数,数值模拟结果显示两通道均存在周期性涡产生,发展及脱落过程,并获得了相应流场涡脱落频率,为微脉冲射流器应用提供了依据。
其次设计加工了进口尺寸为48.4mm×4mm,扩张比为4.7,长度为275mm,具有分流板,可在本实验室的微型风洞上使用的二元大扩压度实验通道,建立了可测量该通道定常及非定常参数的实验系统。研究了无流动控制措施时该二元大扩压度通道的分流板作用效果,定常流场时通道不同进口雷诺数ReH,cl时斜坡面压力分布,通道内23H截面速度型,以及通道总压损失系数,非定常流场时测定大扩压度通道两个不同位置的静压变化并进行了FFT分析。实验结果表明分流板作用对削弱通道侧壁附面层影响;证实了随着进口ReH,cl的增大,气流的抗逆压力梯度在不断增强,分离点在不断向流场下游移动;对于本大扩压度通道,进口雷诺数ReH,cl在5333-30000范围内,涡脱落周期St数近似不变;获得一个大尺度涡在向流场下游发展时伴随二个相对小尺度涡同时发展的结论;获得两测点间涡发展推进的平均速度
再次,通过大扩压度通道定常流场及非定常流场实验结果选择了ReH,cl=5333,即Ucl=20m/s流场作为微脉冲射流器控制目标流场设计并加工了基于MEMS技术的,采用电磁驱动方式的微脉冲射流器,并研究了微脉冲射流器的射流速度,射流频率,进出口压比。实验结果显示在不同缝栅驱动频率下存在相应频率的脉冲射流,同时脉动部分所占比例较小,同时获得了射流速度与射流器进出口压比之间的关系。
最后开展了微射流定常控制大扩压度通道的实验研究,通过通道23H截面速度型定性观察了不同流动控制方案的流动控制效果,并建立了总压损失系数与注入射流流量关系曲线以具体衡量不同定常射流控制方案的流动控制效果。对其中控制效果最优的方案采取了不同频率的控制措施,并通过通道23H截面速度型定性分析了不同频率控制效果。进一步的对微脉冲射流器的工作原理及目前方案中存在的问题进行分析,并采用了相应措施改进了微脉冲射流器的定常参数。