高亞聲速時(shí)葉尖小翼對(duì)壓氣機(jī)葉柵泄漏流動(dòng)的影響*

吳宛洋，鐘兢軍

(上海海事大學(xué) 商船學(xué)院， 上海 201306)

燃?xì)廨啓C(jī)自雛形問(wèn)世已經(jīng)歷百年歷史，隨著世界經(jīng)濟(jì)和格局的變化，它在研制技術(shù)上面臨過(guò)多次巨大的突破、在設(shè)計(jì)思路上體驗(yàn)過(guò)數(shù)次深刻變革。它在人類(lèi)航空史上有著舉足輕重的地位，正是它的出現(xiàn)使得當(dāng)時(shí)被活塞發(fā)動(dòng)機(jī)壟斷的領(lǐng)域里噴氣推進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)始大放異彩，進(jìn)而永久改變了世界的格局。燃?xì)廨啓C(jī)的設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)及裝配過(guò)程需要各種高新技術(shù)和核心技術(shù)的共同作用，集中體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家的高端工業(yè)水平。在國(guó)際形式瞬息萬(wàn)變、百年未有之變局的今天，擁有先進(jìn)完備的燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)更是各國(guó)的追求目標(biāo)，它的發(fā)展在軍民領(lǐng)域都具有戰(zhàn)略性的指導(dǎo)意義。

壓氣機(jī)是燃?xì)廨啓C(jī)的核心結(jié)構(gòu)，牽一發(fā)而動(dòng)全身，在壓氣機(jī)中各種結(jié)構(gòu)和性能上的微小改變都會(huì)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)的功能特性帶來(lái)巨大的影響。研究證明在壓氣機(jī)各種流動(dòng)損失中，葉頂區(qū)域不穩(wěn)定流動(dòng)情況引起的損失占比較多[1]。這主要是因?yàn)槿~頂區(qū)域存在葉頂間隙，而在壓力差的作用下具有流動(dòng)趨勢(shì)的流體可以通過(guò)葉頂間隙從壓力面到達(dá)吸力面，這種泄漏流動(dòng)的方向和分布與流道中主流有著明顯區(qū)別，兩種有巨大差異的流動(dòng)形式相遇、接觸、互融、分離的過(guò)程定會(huì)伴隨著明顯的流動(dòng)損失并會(huì)對(duì)壓氣機(jī)乃至整個(gè)燃?xì)廨啓C(jī)產(chǎn)生明顯的影響[2-5]。由于葉頂間隙結(jié)構(gòu)必然存在，合理有效地控制葉頂間隙流動(dòng)成了壓氣機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要課題。根據(jù)設(shè)計(jì)思路上的不同，主要的控制技術(shù)大致可以分為兩類(lèi)：以葉頂噴氣[6]、合成射流[7]、等離子激勵(lì)[8]為代表的主動(dòng)控制技術(shù)和以彎掠葉片[9-10]、機(jī)匣處理[11]、翼刀結(jié)構(gòu)[12]為代表的被動(dòng)控制技術(shù)。

鐘兢軍教授2008年提出了在壓氣機(jī)中應(yīng)用葉尖小翼這一新的被動(dòng)控制技術(shù)[13]，研究團(tuán)隊(duì)多年來(lái)進(jìn)行了一系列的理論、數(shù)值和實(shí)驗(yàn)研究并獲得了相關(guān)結(jié)論[14-20]：低速時(shí)(來(lái)流馬赫數(shù)Ma小于0.3)，在壓氣機(jī)葉柵中引入合理的幾何參數(shù)及存在區(qū)域的葉尖小翼結(jié)構(gòu)后，葉頂間隙區(qū)域的泄漏流動(dòng)軌跡被有效控制，進(jìn)而影響葉尖流場(chǎng)不同渦系之間的相互作用，泄漏流與主流的相遇、接觸、互融、分離的過(guò)程都將被延遲，在流道中的影響范圍減少，帶來(lái)的流動(dòng)損失減小。來(lái)流馬赫數(shù)逐漸變大的過(guò)程中(Ma小于0.7)，氣流不再是簡(jiǎn)單的不可壓縮流動(dòng)，壓氣機(jī)氣流的流動(dòng)十分復(fù)雜，包括端壁及葉片表面附面層的發(fā)展與分離、泄漏流動(dòng)的產(chǎn)生與泄漏渦的破裂、橫向二次流及以上流動(dòng)現(xiàn)象的相互作用和影響等，在低速時(shí)具有改善作用的吸力面葉尖小翼結(jié)構(gòu)不再體現(xiàn)其正效果，由于其帶來(lái)的局部摩擦損失對(duì)流場(chǎng)的干預(yù)增強(qiáng)，氣流的不均勻性增大，流場(chǎng)特性惡化。同時(shí)在這一過(guò)程中合理結(jié)構(gòu)的壓力面葉尖小翼仍然會(huì)對(duì)葉頂泄漏流動(dòng)有控制效果，其帶來(lái)的局部損失對(duì)流場(chǎng)的干預(yù)效果弱于其對(duì)葉片兩側(cè)壓力差的削減作用，即破壞了泄漏流動(dòng)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，減弱了葉頂泄漏流動(dòng)，從而使泄漏流與主流的相遇、接觸、互融、分離的這些產(chǎn)生損失的過(guò)程都被有效地控制改善。而葉尖小翼結(jié)構(gòu)變寬時(shí)其對(duì)壓力差的削減作用愈強(qiáng)，因此控制效果更加明顯。也就是說(shuō)葉尖小翼技術(shù)在來(lái)流馬赫數(shù)小于0.7的葉柵中都可以有效改善流場(chǎng)特性，但在低速時(shí)改善效果更好的吸力面葉尖小翼在高亞聲速條件下則會(huì)失去改善效果甚至惡化流場(chǎng)。目前針對(duì)高速壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子中應(yīng)用葉尖小翼的研究，來(lái)流馬赫數(shù)都大于1.0[21]。

為了獲得葉尖小翼在全工況下的影響機(jī)制，在Ma為0.8～1.0的高來(lái)流條件下，吸力面葉尖小翼和壓力面葉尖小翼對(duì)壓氣機(jī)氣動(dòng)特性的影響還需全面系統(tǒng)探索。本文以Ma=0.8工況的高速葉柵為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬方法對(duì)比分析無(wú)葉尖小翼的原型葉柵、加裝3種不同寬度吸力面葉尖小翼和3種不同寬度壓力面葉尖小翼的葉柵共7個(gè)方案流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果，初步探求高速來(lái)流時(shí)葉尖小翼對(duì)葉頂區(qū)域間隙流動(dòng)的影響機(jī)制，為外界條件改變時(shí)最佳葉尖小翼設(shè)計(jì)方案的判斷提供原理依據(jù)，同時(shí)可以使后續(xù)的復(fù)雜高速實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)更有針對(duì)性。

1 計(jì)算模型及數(shù)值方法

1.1 計(jì)算模型與結(jié)構(gòu)參數(shù)

數(shù)值計(jì)算過(guò)程中應(yīng)用的葉型為某中高速轉(zhuǎn)子葉頂位置的截面，葉型截面如圖1所示。葉柵的主要幾何參數(shù)及氣動(dòng)參數(shù)如表1所示。葉頂間隙選擇3%c，沖角范圍選擇0°、±3°、±6°。來(lái)流馬赫數(shù)為Ma=0.8，此時(shí)剛剛進(jìn)入跨聲速，針對(duì)此來(lái)流速度的研究既可以讓高亞聲速來(lái)流條件時(shí)葉尖小翼結(jié)構(gòu)的研究更完整，又可以為更高來(lái)流速度的葉柵及跨聲速轉(zhuǎn)子的研究提供理論依據(jù)。

(a) 葉型參數(shù)(a) Blade profile parameters

表1 主要葉柵參數(shù)

如圖2所示，按照葉尖小翼結(jié)構(gòu)的安裝位置，將位于吸力面的小翼結(jié)構(gòu)定義為吸力面葉尖小翼(Suction Surface Winglet，SSW)、位于葉片壓力面的定義為壓力面葉尖小翼(Pressure Surface Winglet，PSW)。將-6°、-3°、0°、+3°、+5°五個(gè)沖角工況分別命名為N06、N03、N00、P03、P06。為了防止在后續(xù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中由于高速氣流的沖擊力引起葉尖小翼脫落、消除接觸縫隙，研究中不再使用低速來(lái)流條件時(shí)的外接小翼結(jié)構(gòu)，而選擇與葉片融合的整體式加工設(shè)計(jì)，葉尖小翼結(jié)構(gòu)相當(dāng)于增加了葉片葉頂?shù)膶挾?。為了盡可能地降低損失，在葉高方向小翼結(jié)構(gòu)與葉片的過(guò)渡部分選擇了曲線(xiàn)光滑連接。原型葉片的無(wú)葉尖小翼方案命名為NW；SSW及PSW各有3種方案，共計(jì)6種，結(jié)合安裝位置及葉尖小翼結(jié)構(gòu)的周向?qū)挾认鄬?duì)于NW方案葉頂截面周向?qū)挾鹊谋稊?shù)變化，分別命名為SSW1.0、SSW1.5、SSW2.0、PSW1.0、PSW1.5及PSW2.0。

(a) NW (b) SSW2.0 (c) PSW2.0圖2 葉尖小翼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Schematic diagram of tip winglet structure

1.2 網(wǎng)格及邊界條件選定

選擇ICEM CFD軟件獲得算例的網(wǎng)格，在使用過(guò)程為了獲得計(jì)算周期更短、質(zhì)量更高的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，將計(jì)算域共分為3個(gè)模塊，依次為葉頂間隙區(qū)域、葉尖小翼結(jié)構(gòu)區(qū)域以及無(wú)葉尖小翼結(jié)構(gòu)存在的原始葉片區(qū)域，各個(gè)模塊之間利用交界面命令完成計(jì)算。通過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性的計(jì)算(如圖3所示，縱坐標(biāo)Cξ為總壓損失系數(shù))，確定將7種數(shù)值計(jì)算方案的網(wǎng)格數(shù)目保持在120萬(wàn)左右?，F(xiàn)有結(jié)果證明湍流模型需要選定SST(Shear-Stress Transport)k-ω模型[15]，同時(shí)前期實(shí)驗(yàn)過(guò)程也證明了該模型可以更好地完成高速來(lái)流條件下的流場(chǎng)獲取。計(jì)算過(guò)程中進(jìn)口條件為氣流來(lái)流角度、進(jìn)口總溫及進(jìn)口總壓，出口給定相對(duì)壓力值為0的靜壓。計(jì)算域兩側(cè)的邊界給定周期性邊界，上下壁面、整體葉片結(jié)構(gòu)壁面為絕熱、無(wú)滑移固定壁面。選定距離尾緣0.5倍軸向弦長(zhǎng)的截面為出口截面進(jìn)行分析(如圖4所示)。

圖3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性Fig.3 Grid independence verification

圖4 網(wǎng)格計(jì)算域Fig.4 Grid of computational domain

1.3 數(shù)值校核

為證明應(yīng)用的數(shù)值模擬方法可信需要進(jìn)行數(shù)值校核，對(duì)比分析圖5所示的兩種研究手段獲得的出口總壓損失分布情況，其中橫縱坐標(biāo)分別為節(jié)距和葉片高度的無(wú)量綱化，結(jié)果顯示數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)量對(duì)流場(chǎng)的提取結(jié)果相似，流動(dòng)規(guī)律一致，不同程度的損失范圍分布規(guī)律相同。圖6為不同來(lái)流沖角下兩者得到的總壓損失系數(shù)曲線(xiàn)對(duì)比。由圖6可知，不同來(lái)流沖角下數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)煞N研究方法得到的總壓損失系數(shù)變化規(guī)律一致，數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)值誤差均在可允許的5%范圍內(nèi)。因此，本文研究過(guò)程中采用的數(shù)值計(jì)算方法是可行與準(zhǔn)確的。

(a) 數(shù)值計(jì)算(a) Numerical calculation

圖6 不同沖角下總壓損失系數(shù)Fig.6 Total pressure loss coefficients at different incidences

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 葉柵流場(chǎng)熵變化

圖7～11為不同沖角下7種葉柵方案內(nèi)部流場(chǎng)的熵分布云圖。第一個(gè)截面位于葉片前緣，每個(gè)截面間隔10%c，方向垂直于軸向。熵可以度量流場(chǎng)混亂程度，流場(chǎng)越穩(wěn)定簡(jiǎn)單，熵值越??；當(dāng)流場(chǎng)中出現(xiàn)打破穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)，也就是渦系出現(xiàn)后，熵會(huì)增大。葉頂區(qū)域的損失主要產(chǎn)生于各種渦及之間的剪切作用，不同的流動(dòng)形式相遇、接觸、互融、分離的過(guò)程對(duì)應(yīng)著高熵區(qū)，其中運(yùn)行軌跡是從葉片壓力面至葉片吸力面的高熵區(qū)域?qū)?yīng)著的泄漏渦路徑。

(a) NW b) SSW1.0 (c) SSW1.5 (d) SSW2.0

觀察不同沖角下的NW方案可知，與N00工況相比，N03工況下壓氣機(jī)葉柵中熵值減小。而N06工況時(shí)，由于入射角度偏轉(zhuǎn)較大，此時(shí)泄漏渦在流場(chǎng)中的影響范圍會(huì)大于N00工況。正沖角時(shí)，偏轉(zhuǎn)更加明顯，泄漏流動(dòng)在節(jié)距范圍內(nèi)的影響程度加劇，高熵區(qū)域隨著沖角的增大而顯著增大，即正沖角下的葉柵流場(chǎng)的熵都大于N00工況。

仔細(xì)觀察設(shè)計(jì)沖角工況，泄漏渦會(huì)在壓力差作用下在流道前部出現(xiàn)，隨著流道中泄漏渦的發(fā)展，對(duì)應(yīng)著泄漏渦渦核區(qū)域的最明顯熵增區(qū)域逐漸擴(kuò)張，在此沖角下，與原型葉柵NW方案相比，引入了3種吸力面葉尖小翼的SSW方案都增加了流場(chǎng)流體分布的不均勻性，混亂程度增加。雖然葉片寬度增加會(huì)延遲泄漏流動(dòng)，但葉尖小翼結(jié)構(gòu)引起的局部損失使得此時(shí)其干擾作用對(duì)流場(chǎng)中的影響最為明顯，且隨著小翼寬度的增加，局部損失增大，結(jié)構(gòu)附近低能流體會(huì)更多，即泄漏流體可卷吸的流體增多。吸力面葉尖小翼增加了葉頂在葉片吸力面?zhèn)鹊难由炀嚯x，泄漏流體流出葉頂間隙區(qū)域后就比NW方案更遠(yuǎn)離葉片吸力面，而更深入流道，這就使得泄漏渦在節(jié)距方向上的發(fā)展受到葉片吸力面壁面的阻礙作用較弱，可以更容易地在節(jié)距方向上發(fā)展，同時(shí)與主流接觸面積更大，兩者互相作用更加明顯，這直接造成了流道中熵的增加，也就是葉片吸力面?zhèn)葔毫Φ臏p小，而葉片吸力面?zhèn)葔毫p小的后果是葉片兩側(cè)的壓力差值增大，更多的流體會(huì)通過(guò)葉頂間隙從葉片壓力面?zhèn)葋?lái)到葉片吸力面?zhèn)龋瑤?lái)更多熵的增加，且SSW方案的寬度越大時(shí)，上述的小翼結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)的影響機(jī)制越明顯，高熵區(qū)域分布更廣。

流場(chǎng)中引入不同寬度的PSW方案后，壓力面葉尖小翼增加了葉頂在葉片壓力面?zhèn)鹊难由炀嚯x，構(gòu)成泄漏流動(dòng)的流體需要先經(jīng)過(guò)整個(gè)小翼結(jié)構(gòu)再進(jìn)入葉頂間隙，這使得泄漏流體與主流在流道中的相遇帶來(lái)的高熵區(qū)域更遠(yuǎn)離第一個(gè)截面，也就是說(shuō)在流道中泄漏可以發(fā)展的路徑變短了，同時(shí)PSW方案引起的局部損失位于葉片的壓力面?zhèn)龋@意味著葉片壓力面?zhèn)鹊膲毫p小，這種現(xiàn)象的后果是葉片兩側(cè)的壓力差值減小，除了結(jié)構(gòu)本身的阻礙作用，這種差值減小更是在本質(zhì)上削弱了泄漏流動(dòng)的動(dòng)力與強(qiáng)度，更少更弱的泄漏流體與主流摻混，帶來(lái)的高熵區(qū)域變窄，當(dāng)PSW方案的寬度增大時(shí)，壓力面小翼結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)的改善效果機(jī)制增強(qiáng)，高熵區(qū)域分布范圍逐漸縮減。

觀察N03和N06兩個(gè)負(fù)沖角工況，由于流體入射角度變化，對(duì)應(yīng)泄漏渦的高熵區(qū)域在葉片吸力面?zhèn)鹊某霈F(xiàn)位置都更為遠(yuǎn)離第一個(gè)截面。當(dāng)觀察對(duì)象為N03時(shí)，SSW方案對(duì)流場(chǎng)的影響機(jī)制仍然符合N00工況時(shí)的分析結(jié)果，SSW方案對(duì)流場(chǎng)泄漏流動(dòng)的控制效果仍然是消極的，同時(shí)從SSW1.0方案的寬度變化到SSW2.0方案的寬度過(guò)程中，附加局部損失增大，泄漏渦在節(jié)距上的初始形成位置可發(fā)展空間更大，更易卷吸低能流體，高熵范圍逐漸增大，與NW方案時(shí)變化規(guī)律一致，此時(shí)不同寬度方案的流場(chǎng)熵值仍小于N00工況時(shí)各方案的流場(chǎng)熵值。N06工況時(shí)，不同SSW方案對(duì)流場(chǎng)的影響規(guī)律與N03工況時(shí)一致，但此時(shí)不同寬度方案的流場(chǎng)熵值已經(jīng)大于N00工況時(shí)各方案的流場(chǎng)熵值。兩個(gè)負(fù)沖角工況下，不同寬度的PSW方案都使泄漏流動(dòng)的初始出現(xiàn)位置向著葉片的尾緣方向推遲，PSW方案對(duì)流場(chǎng)的改善機(jī)制也符合N00工況時(shí)的分析結(jié)果，引入的PSW方案雖然寬度不同，但不同方案的熵值減弱，混亂程度減弱，流動(dòng)損失減小，流場(chǎng)特性得到改善，且這種正效果與小翼寬度的增加是同趨勢(shì)關(guān)系。

觀察P03和P06兩個(gè)正沖角工況，此時(shí)流體的入射角度使對(duì)應(yīng)泄漏渦的高熵區(qū)域在葉片吸力面?zhèn)鹊某霈F(xiàn)位置都更為靠近第一個(gè)截面。也就是說(shuō)，此時(shí)泄漏流動(dòng)與主流的相遇會(huì)更早發(fā)生，泄漏渦軌跡對(duì)應(yīng)著的高熵區(qū)域在流場(chǎng)影響區(qū)域的全部空間都會(huì)擴(kuò)張。P06工況的氣流大折轉(zhuǎn)使得此時(shí)熵值大于P03工況。此時(shí)SSW與PSW對(duì)流場(chǎng)的影響機(jī)制與改善機(jī)制依然與設(shè)計(jì)工況時(shí)相同：SSW1.0方案、SSW1.5方案及SSW2.0方案全部增加了流場(chǎng)中的熵；PSW1.0方案、PSW1.5方案及PSW2.0方案都縮減了流場(chǎng)的高熵區(qū)域。兩種方案的干擾或改善的影響程度都與小翼結(jié)構(gòu)寬度成正比例。壓氣機(jī)在工作時(shí)處于沖角不恒定的情況，與原型NW方案相比，合適的PSW方案可以使沖角變化對(duì)壓氣機(jī)流場(chǎng)的影響程度減弱，保證壓氣機(jī)有一個(gè)較為穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

2.2 葉柵出口截面流場(chǎng)分析

現(xiàn)有研究證明總壓損失系數(shù)是一種可以用來(lái)衡量壓氣機(jī)氣動(dòng)性能優(yōu)劣的重要參數(shù)，由于壓氣機(jī)使得氣流完成減速增壓的過(guò)程，出口位置處的總壓損失系數(shù)越小則表征整個(gè)流動(dòng)過(guò)程中損失越小，流動(dòng)更為穩(wěn)定[22]。

總壓損失系數(shù):

(1)

其中:Pv為進(jìn)口動(dòng)壓，Ptc為進(jìn)口總壓，Ptp為測(cè)量點(diǎn)總壓。

來(lái)流沖角變化時(shí)所有方案的壓氣機(jī)葉柵出口截面的總壓損失系數(shù)及二次流分布情況如圖12～21所示。二次流動(dòng)即實(shí)際流場(chǎng)與主流方向流動(dòng)的矢量差，也通常理解為壁面壓力梯度下偏離主流方向的流動(dòng)[23]，泄漏渦是二次流動(dòng)的主要表現(xiàn)形式[24]。由于二次流動(dòng)在葉頂區(qū)域損失中占比很大，利用總壓損失分布結(jié)合二次流分布特點(diǎn)可直觀觀察到流場(chǎng)分布特性[2-3,23-25]。

N00工況時(shí)，結(jié)合前文熵值分布特點(diǎn)觀察NW方案，較大的葉頂間隙高度使得此間隙中的橫向流動(dòng)流體增加，流道中的泄漏渦發(fā)展過(guò)程在流道中持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，整個(gè)出口截面的上半部分最明顯的總壓損失區(qū)域?qū)?yīng)著泄漏渦。而上通道渦與其旋向是相反的，兩者相遇后，發(fā)展動(dòng)力充足的泄漏渦對(duì)上通道渦呈現(xiàn)強(qiáng)勢(shì)壓制作用，上通道渦的存在空間被擠壓至緊貼流道上端，泄漏渦卷吸能力增強(qiáng)，且在節(jié)距上的發(fā)布范圍較大。雖然上集中脫落渦的旋向與泄漏渦相同，但是泄漏渦的強(qiáng)勢(shì)使得流道的流體更多地被泄漏流動(dòng)卷吸至葉頂區(qū)域，并隨著泄漏渦的發(fā)展逐漸在流道中引起損失，兩者相遇后，上集中脫落的存在空間會(huì)被泄漏渦擠壓，可以增強(qiáng)其強(qiáng)度的低能流體也被泄漏渦搶奪，上集中脫落渦強(qiáng)度極小，在二次流中甚至無(wú)法對(duì)泄漏渦的流線(xiàn)分布造成影響。不同寬度的SSW方案增加了核心高總壓損失系數(shù)區(qū)域分布，泄漏渦強(qiáng)度及節(jié)距上的影響面積增加。因?yàn)樵诹鞯乐蟹植挤秶脑黾樱诹鞯乐行孤u的消散過(guò)程延遲發(fā)生，流動(dòng)軌跡更長(zhǎng)，出口截面處的尾跡區(qū)域損失增加。橫向?qū)Ρ萐SW1.0方案、SSW1.5方案及SSW2.0方案，葉尖小翼結(jié)構(gòu)帶來(lái)的干擾作用逐漸增強(qiáng)，流場(chǎng)的總壓損失增大。橫向?qū)Ρ萈SW1.0方案、PSW1.5方案及PSW2.0方案，葉尖小翼結(jié)構(gòu)帶來(lái)的改善作用逐漸增強(qiáng)，流場(chǎng)的總壓損失明顯減弱，泄漏渦渦核對(duì)應(yīng)的最高損失區(qū)域變窄。

N03工況，首先觀察原型葉柵NW方案，此時(shí)入射角度的改變使得此沖角下泄漏流動(dòng)弱于N00工況下的。流道上端的上通道渦強(qiáng)度與N00工況相比略有增加，此時(shí)泄漏渦的起始位置由于氣流的折轉(zhuǎn)會(huì)更靠近葉片的尾緣，流場(chǎng)中渦系的發(fā)展軌跡和耗散位置延遲，整體流場(chǎng)損失小于N00工況。不同寬度的SSW方案仍會(huì)增加泄漏渦的強(qiáng)度與多個(gè)方向上的分布范圍，隨著SSW方案小翼結(jié)構(gòu)寬度的增大，泄漏渦的卷吸能力增強(qiáng)，流動(dòng)損失增加。加裝不同寬度的PSW方案后，流場(chǎng)中核心高損失區(qū)域明顯減小，泄漏渦卷吸能力下降，強(qiáng)度減弱。泄漏渦強(qiáng)度的減弱直接造成上集中脫落渦的強(qiáng)度增大，同時(shí)更多的流體可以被上通道渦卷吸，二次流線(xiàn)圖中它的流線(xiàn)逐漸明顯，在PSW2.0方案時(shí)已經(jīng)可以清晰觀察到3個(gè)渦系的共存。雖然其他兩個(gè)渦系強(qiáng)度增大，但它們帶來(lái)的總壓損失弱于泄漏渦強(qiáng)度減弱引起的總壓損失減小，因此流場(chǎng)的總壓損失與PSW1.5方案相比仍然是減小的?？v向觀察所有的PSW方案和SSW方案可以發(fā)現(xiàn)，雖然有些吸力面葉尖小翼結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)流場(chǎng)有干擾效果，但整體的效果都弱于同寬度的壓力面葉尖小翼對(duì)流場(chǎng)的改善控制效果。

N06工況時(shí)，入射角度已不再是最適合范圍，泄漏渦向流場(chǎng)后部的遷移更加明顯，7種方案的尾跡區(qū)域分布范圍明顯大于N03工況的各方案流場(chǎng)分布。3種SSW方案和3種PSW方案對(duì)流場(chǎng)的影響規(guī)律與N03工況保持一致，SSW方案對(duì)流場(chǎng)都呈現(xiàn)干擾效果，SSW2.0方案為干擾程度最大的方案；PSW方案在流場(chǎng)中仍然都扮演著改善控制的角色，且寬度最大的PSW2.0方案流場(chǎng)總壓損失與NW方案相比降低得最明顯。

P03工況時(shí)，觀察NW方案，由于受到來(lái)流角度的影響，尾跡區(qū)損失增加，且和N00工況相比，泄漏渦的初始位置更靠近葉片前緣，泄漏渦在流道中的發(fā)展區(qū)域增加，在各方向上的分布范圍擴(kuò)張，流動(dòng)損失增大。在安裝不同寬度SSW方案后，葉尖小翼結(jié)構(gòu)帶來(lái)的局部附加損失及對(duì)葉片頂部區(qū)域兩側(cè)壓力梯度的影響使得更多的低能流體通過(guò)橫向射流來(lái)到葉片吸力面?zhèn)?，與主流相遇摻混，兩者相遇后，剪切產(chǎn)生的泄漏渦強(qiáng)度更大，可以將更多的流體卷吸至渦核附近形成泄漏渦系。在吸力面葉尖小翼寬度由窄變寬的過(guò)程中，泄漏渦在流道中卷吸路徑更靠近流道中心，對(duì)主流的影響更大，流場(chǎng)損失增加，SSW2.0的干擾效果最為明顯。而流場(chǎng)引入不同寬度的PSW方案后，不同寬度的壓力面?zhèn)刃∫斫Y(jié)構(gòu)本身都會(huì)阻礙葉片壓力面的流體進(jìn)入葉頂間隙，同時(shí)其帶來(lái)的附加損失造成了壓力面與吸力面壓力差的減小，使得葉頂間隙區(qū)域的流體流動(dòng)動(dòng)力減弱，泄漏渦的卷吸能力減弱，在流道中的影響區(qū)域被縮減，流道中的二次流動(dòng)減弱，總壓損失降低，最寬的PSW2.0方案帶來(lái)最大的改善效果。

P06工況時(shí)，泄漏渦的發(fā)展軌跡在流道中的滲透程度增加，可卷吸的流體增多，在整個(gè)節(jié)距范圍上已經(jīng)被泄漏渦完全影響，泄漏渦帶來(lái)的流動(dòng)損失進(jìn)一步加大。此時(shí)大氣流折轉(zhuǎn)也使得附面層厚度增加，尾跡區(qū)域損失進(jìn)一步增加?？v向觀察葉尖小翼加裝后的流場(chǎng)可知，葉尖小翼對(duì)流場(chǎng)的影響和改善機(jī)制與其他沖角工況一致，仍然是SSW方案為負(fù)效果，PSW方案為正效果，且寬度最大的SSW2.0方案和PSW2.0方案分別為干擾效果和改善效果最明顯的兩個(gè)方案。結(jié)合分析P03工況和P06工況可以發(fā)現(xiàn)，在正沖角時(shí)，PSW方案的改善程度仍然明顯于相同寬度的SSW方案的干擾程度。

當(dāng)沖角變化時(shí)，不同方案的葉柵總壓損失系數(shù)規(guī)律如圖22所示。當(dāng)Ma=0.8時(shí)，在設(shè)計(jì)沖角工況及非設(shè)計(jì)沖角-6°、-3°、+3°及+6°下，SSW1.0方案、SSW1.5方案及SSW2.0方案增加了流場(chǎng)的流動(dòng)損失，PSW1.0方案、PSW1.5方案及PSW2.0方案都改善了流場(chǎng)，使流場(chǎng)的流動(dòng)損失減小。兩種安裝位置下的葉尖小翼對(duì)流場(chǎng)的影響程度都與其小翼結(jié)構(gòu)的寬度成同趨勢(shì)變化關(guān)系，相同寬度參數(shù)下的PSW方案對(duì)流場(chǎng)的控制效果明顯于SSW方案帶來(lái)的負(fù)面影響。具體分析曲線(xiàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：吸力面葉尖小翼對(duì)流場(chǎng)影響最弱的是N03工況，SSW2.0方案的應(yīng)用僅僅增加了1.77%的總壓損失；影響最大的是P06工況，寬度最大的SSW2.0方案帶來(lái)了4.17%的流場(chǎng)干擾。壓力面葉尖小翼對(duì)流場(chǎng)影響最弱的是N06工況，PSW2.0方案僅帶來(lái)2.13%的改善效果；影響最大的仍然是P06工況，最佳方案PSW2.0使流場(chǎng)的改善效果提升到了10.15%。負(fù)沖角時(shí)流體入射位置更遠(yuǎn)離葉片前緣，泄漏渦影響空間較小，在流體入射角度和安裝位置對(duì)泄漏渦軌跡影響的共同作用下兩種葉尖小翼方案影響效果最弱的沖角工況不同。

(a) 吸力面小翼(a) Suction surface tip winglet

2.3 葉尖小翼影響機(jī)理

葉尖小翼結(jié)構(gòu)在流場(chǎng)中的應(yīng)用必然會(huì)增加葉頂?shù)拿娣e，這一改變使得進(jìn)入葉頂間隙的泄漏流體在葉頂間隙內(nèi)流經(jīng)的路徑長(zhǎng)度增加，通過(guò)葉頂間隙的時(shí)間增長(zhǎng)，泄漏流進(jìn)入流場(chǎng)與主流會(huì)面的位置更遠(yuǎn)離葉片前緣，而且葉頂間隙內(nèi)更長(zhǎng)時(shí)間和距離的流動(dòng)會(huì)耗費(fèi)流體更多的能量，即葉尖小翼結(jié)構(gòu)可以做到讓能量更少的泄漏流與主流在流場(chǎng)中相遇的位置更晚，這使得兩者剪切作用產(chǎn)生的泄漏渦的強(qiáng)度、發(fā)展軌跡以及分布范圍都會(huì)被影響，從而改善流場(chǎng)。這正是在低速來(lái)流條件時(shí)SSW方案和PSW方案都有改善正效果的根本原因。

但與其他控制方法一樣，葉尖小翼的適用性也受到多種因素的共同影響。為了直觀觀察葉尖小翼適用性的變化原因，圖23給出了不同葉尖小翼結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)的影響。葉尖小翼對(duì)流場(chǎng)的控制效果是干擾還是改善由多種因素共同作用：①葉尖小翼結(jié)構(gòu)對(duì)泄漏渦出現(xiàn)位置、發(fā)展軌跡及可分布范圍的影響；②葉尖小翼結(jié)構(gòu)在流場(chǎng)中的出現(xiàn)引起葉頂區(qū)域局部的附加損失；③葉尖小翼結(jié)構(gòu)對(duì)葉片壓力面?zhèn)群臀γ鎮(zhèn)葔毫μ荻鹊挠绊?。在高速的?lái)流條件下，葉頂區(qū)域流體的流速顯著增加，葉尖小翼寬度增加帶來(lái)的葉頂區(qū)域流體流程增加在高速流體下對(duì)流場(chǎng)的影響顯著減弱，因素①在葉尖小翼控制效果中的影響比重減?。欢藭r(shí)流體流速增加，附加局部損失會(huì)對(duì)小翼結(jié)構(gòu)存在區(qū)域帶來(lái)明顯的影響，因素②的影響比重增大；而因素②又會(huì)直接影響著因素③。

(a) 原型葉片(a) Normal blade

在SSW方案中由于附加損失的影響，吸力面小翼結(jié)構(gòu)會(huì)在葉頂區(qū)域的吸力面帶來(lái)總壓損失，使得葉片壓力面的壓力更大于葉片吸力面，這是泄漏流動(dòng)的原始驅(qū)動(dòng)力，這份動(dòng)力可以讓葉片頂部的流體更多更早更容易地進(jìn)入葉頂間隙空間，從而使得更多更強(qiáng)的泄漏流可以更早地與主流相遇，且由于因素①的客觀影響，兩者的相遇位置雖然遠(yuǎn)離葉片前緣，但在高速來(lái)流條件下，這個(gè)延遲作用被大大削弱，且因素①的原因又讓兩者的相遇位置位于流道中心，剪切作用更顯著，這種在流道中的延伸作用是SSW方案幾何結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響，即使在高速來(lái)流條件下仍然適用。同時(shí)因素②的影響比重增大，吸力面小翼結(jié)構(gòu)附近有明顯的壓力降低，直接強(qiáng)化了因素③。在它們的共同作用下更靠近流道中部的形成位置使得泄漏渦的強(qiáng)度增加、可發(fā)展范圍更大，對(duì)其他渦系的抑制效果更加明顯，對(duì)流場(chǎng)的干擾效果更加嚴(yán)重，無(wú)法再達(dá)到低速條件時(shí)的改善效果。

在PSW方案中，因素①的延遲作用也被減弱，但幾何結(jié)構(gòu)帶來(lái)的在葉片壓力面?zhèn)攘鞯赖难由熳饔米钃趿肆黧w進(jìn)入間隙區(qū)域。因素②的影響比重增大，壓力面小翼結(jié)構(gòu)附近有明顯的壓力降低，弱化了因素③。共同作用下葉片吸力面?zhèn)鹊男孤┝髋c主流相遇摻混時(shí)攜帶的低能流體少，強(qiáng)度降低，卷吸能力弱，而且泄漏渦的初始位置與SSW方案相比，遠(yuǎn)離流道中心，可發(fā)展空間較小，對(duì)其他渦系的抑制作用弱，對(duì)流場(chǎng)的改善作用明顯大于其干擾效果。

綜上可知，葉尖小翼對(duì)流場(chǎng)泄漏流動(dòng)的影響機(jī)理在不同來(lái)流馬赫數(shù)時(shí)有明顯區(qū)別，在高速來(lái)流條件下，由于附加損失對(duì)流場(chǎng)影響程度的增加，壓力面葉尖小翼對(duì)流場(chǎng)的泄漏流動(dòng)改善效果明顯，吸力面葉尖小翼干擾效果明顯，增加了流場(chǎng)的流動(dòng)損失，且兩者的影響效果都與其寬度變化成正比例關(guān)系。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)高速來(lái)流條件下的NW方案、SSW1.0方案、SSW1.5方案、SSW2.0方案、PSW1.0方案、PSW1.5方案及PSW2.0方案共7種葉柵流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真，對(duì)比分析了不同來(lái)流沖角下流場(chǎng)熵增、流場(chǎng)總壓損失及出口截面氣動(dòng)性能參數(shù)的變化，探究了高速來(lái)流條件時(shí)葉尖小翼對(duì)壓氣機(jī)葉柵泄漏流動(dòng)的影響效果，主要結(jié)論如下：

1)當(dāng)高速來(lái)流Ma=0.8時(shí)，吸力面葉尖小翼結(jié)構(gòu)附近的局部損失及幾何結(jié)構(gòu)造成泄漏渦在流道中延伸效果的綜合作用強(qiáng)于其對(duì)于泄漏流動(dòng)的改善控制作用，增加了葉片兩側(cè)的壓力梯度，使得更多的流體進(jìn)入葉頂間隙，更多更強(qiáng)的泄漏流更早更充分地與主流摻混，兩者作用產(chǎn)生的泄漏渦影響空間增大，強(qiáng)度增強(qiáng)，流場(chǎng)損失增加，影響效果與葉片寬度成正比。

2)沖角變化時(shí)，SSW1.0方案、SSW1.5方案、SSW2.0方案都增大了流場(chǎng)流體的熵值，流動(dòng)損失增加。對(duì)流場(chǎng)影響最弱的是N03工況，SSW2.0方案的應(yīng)用僅僅增加了1.77%的總壓損失；影響最大的是P06工況，寬度最大的SSW2.0方案帶來(lái)了4.17%的流場(chǎng)干擾。

3)當(dāng)高速來(lái)流Ma=0.8時(shí)，壓力面葉尖小翼結(jié)構(gòu)阻礙了流體進(jìn)入葉頂間隙區(qū)域，其結(jié)構(gòu)附近引起的總壓損失使葉片壓力側(cè)與葉片吸力面?zhèn)鹊膲毫Σ钪到档?，流體進(jìn)入葉頂間隙的動(dòng)力不足，更少更弱的泄漏流更晚更有限地與主流摻混，兩者作用產(chǎn)生的泄漏渦強(qiáng)度減弱，流道中可發(fā)展范圍減小，流場(chǎng)得到了改善，改善程度與葉片寬度成正比。

4)沖角發(fā)生變化時(shí)，PSW1.0方案、PSW1.5方案、PSW2.0方案都減小了流場(chǎng)中流體的混亂程度，泄漏渦的發(fā)展空間被有效壓縮，泄漏渦的強(qiáng)度被顯著減弱，流動(dòng)損失減少。對(duì)流場(chǎng)影響最弱的是N06工況，PSW2.0方案僅帶來(lái)2.13%的改善效果；影響最大的仍然是P06工況，最佳方案PSW2.0使流場(chǎng)的改善效果提升到了10.15%。

5)高速來(lái)流時(shí)葉尖小翼結(jié)構(gòu)對(duì)泄漏渦出現(xiàn)位置、發(fā)展軌跡及可分布范圍的影響程度減弱：此時(shí)流體流速增加，附加局部損失會(huì)對(duì)小翼結(jié)構(gòu)存在區(qū)域帶來(lái)明顯的影響，葉尖小翼結(jié)構(gòu)在流場(chǎng)中的出現(xiàn)引起葉頂區(qū)域局部的附加損失及對(duì)葉片壓力面?zhèn)群臀γ鎮(zhèn)葔毫μ荻鹊挠绊懗潭仍黾?。后兩者將成為影響葉尖小翼控制效果的主要因素。

6)高速來(lái)流條件時(shí)，當(dāng)壓氣機(jī)處于變工況時(shí)，與加裝吸力面帶來(lái)的負(fù)面效果不同，加裝壓力面葉尖小翼后，外界來(lái)流條件的改變對(duì)壓氣機(jī)的性能影響減弱，流場(chǎng)更趨于平穩(wěn)，壓氣機(jī)性能可以得到一定程度改善。