全葉高合成雙射流對(duì)大折轉(zhuǎn)角擴(kuò)壓葉柵的影響

朱寅鑫，彭文強(qiáng)，羅振兵，康贏，趙志杰，程盼，劉杰夫

國(guó)防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)沙 410073

隨著航空推進(jìn)裝置的迅猛發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)朝著更高推重比的方向發(fā)展，這也要求壓氣機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)向高效率、高壓比方向發(fā)展［1-2］。例如美國(guó)現(xiàn)在對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制目標(biāo)之一就是在高效的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的大推力和高推重比［3］。大折轉(zhuǎn)角葉型可有效提升葉片載荷，從而提升葉柵單級(jí)壓比。隨著葉片負(fù)荷提升，葉柵流動(dòng)損失加劇，擴(kuò)壓能力減弱。因此，采用合理的流動(dòng)控制技術(shù)抑制流動(dòng)分離，改善大折轉(zhuǎn)角擴(kuò)壓葉柵的性能是十分必要的［4］。常見(jiàn)的流動(dòng)控制技術(shù)包括渦流發(fā)生器［5］、葉表開縫［6］、邊界層吹氣［7］、射流式渦流 發(fā) 生 器［8］、邊 界 層 抽 吸［9-10］、等 離 子 體 激勵(lì)［11-13］等。

其中，合成射流類控制技術(shù)相較其他控制技術(shù)，能夠在不增加額外管路的情況下，僅通過(guò)改變輸入電參數(shù)即可改變射流參數(shù)。合成射流激勵(lì)器具有驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜性小、能耗低的特點(diǎn)［14-15］。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者開展了關(guān)于合成射流在擴(kuò)壓葉柵的應(yīng) 用 研 究。Zander［16］和Gmelin［17］等 在 來(lái) 流 馬 赫數(shù)為0.07 的擴(kuò)壓葉柵的葉表和端壁上施加合成射流，實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，總壓損失系數(shù)減少近10%。Zheng 等［18］將合成射流應(yīng)用于環(huán)形葉柵，總壓損失系數(shù)降低27.5%。秦勇等［19］在來(lái)流馬赫數(shù)為0.67 的高速擴(kuò)壓葉柵表面施加合成射流，數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，總壓損失系數(shù)可降低19.8%。蔡樂(lè)等［20］通過(guò)數(shù)值計(jì)算開展對(duì)某低反動(dòng)度葉柵的合成射流控制研究，發(fā)現(xiàn)合成射流可有效改善大尺度分離渦結(jié)構(gòu)，并簡(jiǎn)要研究各激勵(lì)參數(shù)的影響。Giorgi 等［21］通過(guò)大渦模擬得出結(jié)論：合成射流控制葉表分離的關(guān)鍵在于射流的非定常特性與摻混效應(yīng)。Benini 等［22］對(duì)合成射流在跨聲速環(huán)境中對(duì)激波/邊界層干擾的控制有效性進(jìn)行探索性研究。合成雙射流是由合成射流改進(jìn)而來(lái)，如圖1 所示，激勵(lì)器為單膜雙腔結(jié)構(gòu)，通過(guò)壓電膜片將腔體分為2 個(gè)部分［23］。該構(gòu)型解決了合成射流激勵(lì)器能量利用率低、易壓載失效的問(wèn)題，從而進(jìn)一步提升激勵(lì)器的流場(chǎng)控制能力［24］。在對(duì)于控制機(jī)翼流動(dòng)分離的數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)：相比于合成射流，合成雙射流的2 個(gè)出口交替處于“吹氣”和“抽吸”狀態(tài)，可有效增大失速攻角范圍，進(jìn)一步延遲機(jī)翼的流動(dòng)分離［25-26］。合成雙射流環(huán)量控制技術(shù)已成功應(yīng)用于無(wú)人機(jī)中［27］，其對(duì)外流場(chǎng)的控制能力得到驗(yàn)證。

圖1 合成雙射流激勵(lì)器示意圖Fig.1 Sketch of dual synthetic jet actuator

上述研究表明，合成射流類控制能改善擴(kuò)壓葉柵性能，減少流動(dòng)損失。因此，研究合成雙射流能否進(jìn)一步提升控制效果是十分有意義的。此外，在關(guān)于大折轉(zhuǎn)角擴(kuò)壓葉柵的研究中，葉柵工作環(huán)境多為低速不可壓流場(chǎng)，本文將針對(duì)來(lái)流馬赫數(shù)為0.3 的工況開展數(shù)值研究。本文以大折轉(zhuǎn)角高速擴(kuò)壓葉柵為研究對(duì)象，探究合成雙射流的射流位置、動(dòng)量系數(shù)、激勵(lì)頻率對(duì)葉柵流動(dòng)損失控制的影響。

1 研究對(duì)象與方法

1. 1 葉柵與合成雙射流

針對(duì)軸流壓氣機(jī)靜子平面葉柵，本文開展合成雙射流控制葉柵損失的研究。當(dāng)靜子葉型折轉(zhuǎn)角較大時(shí)，負(fù)荷較高，有必要通過(guò)一定的流動(dòng)控制手段改善性能，減少分離損失。葉型的弦向厚度基于NACA65-010 葉型數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)，NACA-65 系列葉柵被廣泛應(yīng)用于軸流壓氣機(jī)。葉型沿弦向的厚度分布與NACA65-010 相同，基于特定函數(shù)垂直于弦向偏移，函數(shù)為

葉柵設(shè)計(jì)來(lái)流馬赫數(shù)為0.3，表1 給出葉型幾何參數(shù)，幾何折轉(zhuǎn)角為72°。

表1 大折轉(zhuǎn)角葉柵幾何參數(shù)Table 1 Geometry parameters of high-turning cascade

合成雙射流激勵(lì)器的射流槽布設(shè)在葉片吸力面表面。圖2 給出合成雙射流的參數(shù)示意圖。本文分別研究了合成雙射流位置Δl、動(dòng)量系數(shù)Cμ、頻率參數(shù)f 的影響。射流位置Δl 是射流槽前緣的軸向相對(duì)弦長(zhǎng)位置。射流槽寬度H 為其前后緣弦向距離，固定為1 mm。射流角度α 是射流出口方向與該處葉片表面切線的夾角。

圖2 合成雙射流控制方案示意圖Fig.2 Sketch of control scheme by dual synthetic jets

1. 2 數(shù)值方法

利用軟件Fluent 對(duì)可壓縮非定常Navier-Stokes 方程進(jìn)行求解。計(jì)算域是一個(gè)包含單個(gè)葉片的葉柵通道。流場(chǎng)為亞聲速環(huán)境，葉柵尾跡渦結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為避免計(jì)算域進(jìn)出口對(duì)葉柵前后數(shù)據(jù)的測(cè)量干擾，計(jì)算域入口在柵前1.5 倍弦長(zhǎng)處，出口在柵后2.5 倍弦長(zhǎng)處。為減少邊界條件的影響，實(shí)際監(jiān)測(cè)進(jìn)出口參數(shù)的截面與計(jì)算域進(jìn)出口邊界的距離為10%軸向弦長(zhǎng)。采用HOH 型結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，對(duì)葉片表面、前后緣和端壁附近的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密，確保y+＜1。圖3 給出計(jì)算域網(wǎng)格。時(shí)間離散為二階后向歐拉法，湍流模型為RNG k-ε模型。進(jìn)口總壓為104 kPa，總溫為300 K，進(jìn)口氣流角55°，出口靜壓100.1 kPa，通過(guò)微調(diào)出口背壓使得進(jìn)口馬赫數(shù)為0.3。為提高計(jì)算效率，先進(jìn)行定常計(jì)算，將定常解作為非定常計(jì)算的初始值。在非定常計(jì)算中，時(shí)間步為1×10-5s，每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)迭代20 次。通過(guò)監(jiān)測(cè)出口壓力判定計(jì)算是否收斂，收斂后再計(jì)算200步作為最終計(jì)算結(jié)果。

圖3 葉片通道計(jì)算域網(wǎng)格Fig.3 Computational grid of blade passage

目前高負(fù)荷大折轉(zhuǎn)角葉柵的公開數(shù)據(jù)較少。如圖4 所示，通過(guò)比較折轉(zhuǎn)角較小的NACA1210葉型表面速度系數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果［28-29］和數(shù)值計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法的可靠性。其中，q 為當(dāng)?shù)貏?dòng)壓，q0為來(lái)流平均動(dòng)壓。結(jié)果表明，數(shù)值方法對(duì)葉表參數(shù)變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確。

圖4 數(shù)值計(jì)算方法驗(yàn)證Fig.4 Validation of numerical calculation method

合成雙射流激勵(lì)器的工作原理是通過(guò)腔體內(nèi)的膜片振動(dòng)使得腔體內(nèi)壓力發(fā)生周期性變換，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)主流工質(zhì)的吹除與吸入。利用非定常壓力入口條件，模擬合成雙射流激勵(lì)器膜片振動(dòng)效應(yīng)對(duì)流場(chǎng)的影響。假設(shè)激勵(lì)器出口總壓為

式中：Pj為一個(gè)周期內(nèi)壓力波動(dòng)幅值；比熱比γ 設(shè)為1.4；Maj為需要的射流峰值馬赫數(shù)；f 為激勵(lì)頻率；φ 為初始相位角，上游射流槽設(shè)置為0，下游射流槽設(shè)置為π；t 為時(shí)間。無(wú)量綱激勵(lì)頻率f*定義為

式中：V∞為葉柵的來(lái)流速度；c 為葉柵弦長(zhǎng)。激勵(lì)幅值通過(guò)動(dòng)量系數(shù)表征：

式中：H 為射流槽的寬度；Vjet為射流峰值速度。合成雙射流作為零質(zhì)量射流并不會(huì)額外引入工質(zhì)，且每一時(shí)刻2 個(gè)射流槽的吹吸狀態(tài)的相位差為π，即一個(gè)射流槽在吹氣時(shí)另一個(gè)射流槽在吸氣，故假定瞬時(shí)主流流場(chǎng)工質(zhì)無(wú)變化。瞬時(shí)葉柵總壓損失為

式中：P1*和P2*分別為進(jìn)出口的總壓；P1為進(jìn)口的靜壓。本文以一個(gè)周期內(nèi)的總壓損失系數(shù)時(shí)均值作為評(píng)判流場(chǎng)損失的參數(shù)，定義為

其中：m1（t）是來(lái)流質(zhì)量流量，由于合成雙射流的非定常效應(yīng)會(huì)影響進(jìn)口條件，故需考慮來(lái)流質(zhì)量流量的變化。

選用4 種不同網(wǎng)格數(shù)的網(wǎng)格開展網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn) 證，網(wǎng)格總數(shù)分別為1.07×106、1.45×106、1.97×106、2.65×106。在來(lái)流馬赫數(shù)為0.3，進(jìn)口氣流角為55°的條件下使用這4 個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算。得到的總壓損失分別為22.02%、21.43%、21.18%、20.96%。本文使用非定常計(jì)算進(jìn)行參數(shù)研究，計(jì)算周期長(zhǎng)，結(jié)合計(jì)算效率，選用網(wǎng)格數(shù)為1.45×106的網(wǎng)格。

2 合成雙射流對(duì)葉柵的影響

2. 1 葉柵特性

對(duì)于常規(guī)的擴(kuò)壓葉柵，在小沖角時(shí)能夠保證葉高中部為附著繞流，只有在大沖角時(shí)會(huì)出現(xiàn)吸力面分離。通過(guò)圖5 給出的壁面極限流線可發(fā)現(xiàn)，在該大折轉(zhuǎn)角葉柵中，葉片后緣吸力面表面無(wú)附著流。通過(guò)吸力面表面流線可發(fā)現(xiàn)，分離結(jié)構(gòu)為明顯不對(duì)稱結(jié)構(gòu)。一側(cè)出現(xiàn)跨度超過(guò)半葉高的分離泡，端壁出現(xiàn)回流區(qū)，是典型的閉式分離；另一側(cè)端壁無(wú)回流區(qū)，為開式分離。由于端壁、吸力面均出現(xiàn)回流區(qū)，可初步定性判定角區(qū)發(fā)生失速［30-31］。此外，葉柵的擴(kuò)散參數(shù)D 定義為

圖5 原始葉柵的壁面極限流線Fig.5 Limited streamlines of baseline cascade

式中：i 為入射角；ξ 為安裝角；θ 為幾何折轉(zhuǎn)角；s 為柵距。

經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，該葉柵的擴(kuò)散參數(shù)D＞0.405，根據(jù)Lei 等［32］提出的軸流壓氣機(jī)角區(qū)失速判定準(zhǔn)則，該葉型流場(chǎng)中會(huì)形成較大尺度的以閉式分離結(jié)構(gòu)為特征的端壁回流，即發(fā)生角區(qū)失速。觀察流線可發(fā)現(xiàn)，由于葉柵折轉(zhuǎn)角過(guò)大，即便在0°攻角下都處于失速狀態(tài)，出現(xiàn)全展向的流動(dòng)分離，甚至由于一側(cè)端壁流動(dòng)分離發(fā)展得較為充分，進(jìn)而抑制了另一側(cè)的流動(dòng)分離。Nerger 等［33］在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)類似的現(xiàn)象。可見(jiàn)葉型幾何折轉(zhuǎn)角對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)有顯著影響。

本文通過(guò)渦量Ω 和Q 準(zhǔn)則識(shí)別流場(chǎng)中的旋渦結(jié)構(gòu)［34］。圖6 給出葉柵通道內(nèi)的渦結(jié)構(gòu)，可發(fā)現(xiàn)，吸力面表面分離渦尺度大，在下游發(fā)生集中脫落?？赏茰y(cè)吸力面分離渦對(duì)葉柵通道內(nèi)堵塞影響嚴(yán)重。

圖6 原始葉片通道內(nèi)的渦結(jié)構(gòu)（Q=2×106）Fig.6 Vortex structures in blade passage of baseline cascade （Q=2×106）

圖7給出流向渦量分布。結(jié)合圖6，軸向弦長(zhǎng)位置＜20%時(shí)，馬蹄渦沿流向發(fā)展，渦量與附面層渦量處于同一量級(jí)。在25%軸向弦長(zhǎng)處，吸力面分離渦開始發(fā)展，雖然渦尺度不大，但是渦量強(qiáng)度較大。在40%軸向弦長(zhǎng)處，吸力面分離渦發(fā)展較為充分，并向上游抬升，逐漸堵塞通道。隨后吸力面分離渦強(qiáng)度衰減。

圖7 葉片通道內(nèi)不同截面處的渦量云圖Fig.7 Contours of vorticity magnitude at different cross-sections in blade passage

圖8給出流向總壓損失系數(shù)分布。馬蹄渦會(huì)在角區(qū)附近形成局部高損失區(qū)域，由于尺寸較小，對(duì)于整個(gè)通道影響較小。隨著吸力面分離渦的發(fā)展，高損失區(qū)域從角區(qū)發(fā)展并沿流向累積，逐漸向整個(gè)葉柵通道擴(kuò)張。高損失區(qū)域分布形態(tài)與吸力面分離渦形態(tài)相近。

圖8 葉片通道內(nèi)不同截面處的總壓損失系數(shù)云圖Fig.8 Contours of total pressure loss coefficient at different cross-sections in blade passage

不對(duì)稱的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致葉片表面的載荷分布不對(duì)稱，由圖9 可看出，不同葉高處的靜壓分布區(qū)別較大，葉柵吸力面表面靜壓分布差異顯著。因此可推斷，對(duì)于大折轉(zhuǎn)角葉柵而言，若能將流場(chǎng)的非對(duì)稱流動(dòng)分離結(jié)構(gòu)改變?yōu)閷?duì)稱結(jié)構(gòu)，意味著端壁分離減弱，進(jìn)而有效改善葉柵性能及其載荷分布。

圖9 葉片表面無(wú)量綱靜壓分布Fig.9 Distribution of dimensional static pressure on blade surfaces

2. 2 射流槽位置的影響

本節(jié)在相對(duì)軸向弦長(zhǎng)5%～64.4%范圍內(nèi)共設(shè)置8 個(gè)不同射流位置合成雙射流控制方案。由于葉片尾緣較薄，開設(shè)射流槽對(duì)葉片強(qiáng)度影響較大，故不作研究。各工況中，進(jìn)口氣流角為55°，射流動(dòng)量系數(shù)Cμ為0.65%，射流角度為30°，無(wú)量綱激勵(lì)頻率f*為0.588。圖10 給出不同射流位置下的葉柵總壓損失系數(shù)?？梢园l(fā)現(xiàn)，合成雙射流的位置存在明顯的有效激勵(lì)范圍。對(duì)于特定工況，當(dāng)射流槽位置為28.8%相對(duì)軸向弦長(zhǎng)時(shí)，葉柵總壓損失系數(shù)顯著下降。可見(jiàn)合成雙射流可有效減少大折轉(zhuǎn)角葉柵的流動(dòng)損失。當(dāng)射流槽位于36.6%軸向弦長(zhǎng)處時(shí)，控制效果最好，相比無(wú)控制狀態(tài)，總壓損失系數(shù)降低54.8%。當(dāng)合成雙射流位置偏離最佳控制位置時(shí)，合成雙射流對(duì)葉柵性能的改善能力減弱。射流槽位置過(guò)于靠前時(shí)，反而會(huì)增大葉柵的損失。

圖10 不同合成雙射流位置的葉柵總壓損失系數(shù)Fig.10 Total pressure loss coefficients of cascade with different positions of dual synthetic jets

通過(guò)圖11 中典型工況的渦結(jié)構(gòu)可發(fā)現(xiàn)，合成雙射流可顯著改變流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，在吸力面分離渦充分發(fā)展前布置射流槽，合成雙射流可有效將非對(duì)稱流場(chǎng)結(jié)構(gòu)變?yōu)閷?duì)稱流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。在葉柵的13.1%軸向弦長(zhǎng)處，前端流場(chǎng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，尚未發(fā)生明顯分離，若在此處施加控制，合成雙射流會(huì)在吸力面表面提前形成渦。當(dāng)激勵(lì)位置處于有效控制位置時(shí)，隨著射流槽位置接近最佳控制位置，吸力面分離渦流向尺度縮短，高度降低。當(dāng)激勵(lì)位置靠后時(shí)，射流槽上游已形成全葉高的流動(dòng)分離，此時(shí)合成雙射流已無(wú)法改變流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，但合成雙射流減小了尾跡脫落渦的尺度，葉柵下游流場(chǎng)結(jié)構(gòu)有一定改善?？梢?jiàn)，合成雙射流對(duì)大尺度分離渦有明顯的破碎效果，破碎的分離渦結(jié)構(gòu)有序地向下游周期性脫落，并向通道下游傳遞。圖12 為Δl=36.6%時(shí)，葉展中部的流線，可發(fā)現(xiàn)合成雙射流將大尺度的分離渦變?yōu)橐?guī)律脫落的小渦。

圖11 不同合成雙射流位置葉柵通道內(nèi)的渦結(jié)構(gòu)（Q=2×106）Fig.11 Vortex structures in blade passage with different positions of dual synthetic jets （Q=2×106）

圖12 Δl =36.6%時(shí)葉展中部的流線Fig.12 Streamlines in middle of cascades for Δl =36.6%

圖13給出各工況葉柵通道內(nèi)的總壓損失系數(shù)分布。當(dāng)射流位置在13.1%軸向弦長(zhǎng)時(shí)，原始葉柵吸力面分離渦尚未形成，邊界層附近流動(dòng)損失較低。此時(shí)施加合成雙射流反而會(huì)增大邊界層內(nèi)的損失，合成雙射流引發(fā)的邊界層損失會(huì)逐漸向下游累積。此外，該位置距離原始葉柵的高損失區(qū)較遠(yuǎn)，對(duì)下游流場(chǎng)影響有限。因此在該位置施加控制會(huì)增大葉柵損失。然而在前端施加合成雙射流能夠有效使流場(chǎng)變?yōu)閷?duì)稱結(jié)構(gòu)。當(dāng)射流槽位于有效激勵(lì)范圍時(shí)，原本吸力面分離渦引發(fā)的流動(dòng)損失被抑制，射流槽下游吸力邊界層損失減少，葉柵通道內(nèi)高損失區(qū)域的高度下降。射流槽位于36.6%軸向弦長(zhǎng)處，尾緣附近葉展中部的損失顯著下降。當(dāng)處于有效范圍之內(nèi)時(shí)，不同射流槽位置下流場(chǎng)結(jié)構(gòu)相似，均可達(dá)到較好的控制效果。當(dāng)射流槽位置靠后時(shí)，射流槽上游非對(duì)稱吸力面分離渦已經(jīng)充分發(fā)展，此時(shí)施加控制已無(wú)法改變流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，但合成雙射流的周期性吹吸效應(yīng)仍可以影響上游流場(chǎng)，一定程度上減弱射流槽上游的流動(dòng)損失。

圖13 不同合成雙射流位置下葉片通道內(nèi)的總壓損失系數(shù)云圖Fig.13 Contours of total pressure loss coefficient in blade passage with different positions of dual synthetic jets

比對(duì)2.1 節(jié)圖7 中初始葉柵不同弦向的渦量分布，可以發(fā)現(xiàn)在吸力面分離渦還沒(méi)充分發(fā)展的位置，流場(chǎng)損失較小，合成雙射流對(duì)該處的流場(chǎng)無(wú)改善能力。隨著分離渦向下游發(fā)展，其強(qiáng)度和范圍都在增大，在該處施加合成雙射流能有效減弱吸力面分離渦引發(fā)的流動(dòng)損失，并改善流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。在葉柵后段，渦強(qiáng)度衰減，此時(shí)合成雙射流對(duì)強(qiáng)度已經(jīng)衰減的渦影響有限，且上游非對(duì)稱流場(chǎng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成，吸力面分離渦造成的損失已經(jīng)累積，合成雙射流無(wú)法消除上游形成的不利影響。因此可推斷，渦充分發(fā)展的區(qū)域是有效控制區(qū)域。

2. 3 動(dòng)量系數(shù)的影響

選取合成雙射流的射流槽位于36.6%軸向弦長(zhǎng)處，射流角度30°，無(wú)量綱激勵(lì)頻率f*為0.588，選取不同的射流動(dòng)量系數(shù)。

圖14給出不同動(dòng)量系數(shù)下的葉柵總壓損失系數(shù)?？梢园l(fā)現(xiàn)，其余參數(shù)不變，各動(dòng)量系數(shù)均可降低葉柵流場(chǎng)損失。合成雙射流的激勵(lì)幅值存在有效閾值，約為0.29%。射流動(dòng)量系數(shù)極小時(shí)，葉柵損失略微下降，流動(dòng)控制效果不顯著。當(dāng)射流動(dòng)量系數(shù)達(dá)到該閾值，控制效果顯著提升?？梢?jiàn)合成雙射流必須具備足夠的動(dòng)量與邊界層低能流體發(fā)生動(dòng)量交換。而射流動(dòng)量系數(shù)進(jìn)一步增大會(huì)導(dǎo)致流場(chǎng)損失緩慢上升。

圖14 不同動(dòng)量系數(shù)的葉柵總壓損失系數(shù)Fig.14 Total pressure loss coefficients of cascade with different momentum coefficients

圖15給出典型工況下的總壓損失系數(shù)分布?？梢园l(fā)現(xiàn)，即使在動(dòng)量系數(shù)較小時(shí)，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)也會(huì)變?yōu)閷?duì)稱結(jié)構(gòu)。結(jié)合2.2 節(jié)對(duì)控制位置效果的分析可推斷，這是由于射流槽處于最優(yōu)控制位置，合成雙射流微弱的擾動(dòng)即可促進(jìn)流場(chǎng)形態(tài)的改變。當(dāng)控制位置在有效范圍內(nèi)時(shí)，合成雙射流的控制效果對(duì)動(dòng)量系數(shù)限制較小。進(jìn)一步驗(yàn)證流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的改變是改善大折轉(zhuǎn)角葉柵性能的關(guān)鍵。當(dāng)動(dòng)量系數(shù)超過(guò)閾值后，葉展中部的損失減小，流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改善。比較圖13（c）與圖15（b），可發(fā)現(xiàn)隨著動(dòng)量系數(shù)增加，吸力面上方的損失逐漸增加。

圖15 不同動(dòng)量系數(shù)的葉柵通道內(nèi)的總壓損失系數(shù)分布云圖Fig.15 Contours of total pressure loss coefficient in blade passage with different momentum coefficients

圖16給出射流槽附近展向渦量分布?？梢园l(fā)現(xiàn)合成雙射流激勵(lì)器形成的射流進(jìn)入主流流場(chǎng)后發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在射流槽前緣形成逆向渦，與主流發(fā)生剪切作用。隨著射流動(dòng)量系數(shù)的增加，射流偏轉(zhuǎn)程度減弱，合成雙射流對(duì)邊界層的射流與抽吸作用增強(qiáng)，剪切作用加強(qiáng)，不可避免地增加黏性耗散，從而引入了額外的損失。

圖16 不同動(dòng)量系數(shù)的射流槽附近展向渦量云圖Fig.16 Contours of spanwise vorticity near jet slots with different momentum coefficients

圖17給出葉片通道內(nèi)的流向渦量分布。可以發(fā)現(xiàn)合成雙射流會(huì)影響在角區(qū)附近的吸力面流向渦。吸力面流向渦與端壁附近的渦旋向相反，影響了原始葉柵端壁附近的渦演化。射流動(dòng)量系數(shù)為0.65%時(shí)，旋向相反的2 個(gè)渦在端壁附近相互作用，端壁附近的渦量減弱。當(dāng)射流動(dòng)量系數(shù)為1.30%時(shí)，合成雙射流吸力面流向渦強(qiáng)度較大，減弱端壁附近的渦強(qiáng)度，同時(shí)帶動(dòng)端壁附近的渦向葉柵通道移動(dòng)，增大堵塞效應(yīng)。

圖17 不同動(dòng)量系數(shù)的葉片通道內(nèi)的流向渦量云圖Fig.17 Contours of streamwise vorticity in blade passage with different momentum coefficients

2. 4 激勵(lì)頻率的影響

本節(jié)給出不同激勵(lì)頻率對(duì)葉柵流動(dòng)損失的控制效果（結(jié)合目前合成雙射流常用的壓電陶瓷振子特性，選取激勵(lì)頻率f 分別為200、400、600、800、1 000、1 200 Hz）。各工況中，進(jìn)口氣流角為55°，射流位置為36.6%相對(duì)軸向弦長(zhǎng)，射流動(dòng)量系數(shù)Cμ為0.65%，射流角度為30°。作為典型非定常流動(dòng)控制手段，合成雙射流激勵(lì)器的一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于僅通過(guò)調(diào)節(jié)電源頻率即可設(shè)置不同的合成雙射流激勵(lì)頻率，調(diào)節(jié)范圍廣，具有較大的靈活性。選取合理的頻率能進(jìn)一步提升控制效果。

圖18 給出葉柵總壓損失系數(shù)隨激勵(lì)頻率的變化關(guān)系，可發(fā)現(xiàn)存在最佳頻率范圍，約為600～1 000 Hz。當(dāng)其余參數(shù)都處于較優(yōu)范圍內(nèi)，各激勵(lì)頻率都可保持較好的控制效果。若在最佳頻率范圍內(nèi)，合成雙射流控制效果得到進(jìn)一步提升，葉柵損失下降。

圖18 不同激勵(lì)頻率的葉柵總壓損失系數(shù)Fig.18 Total pressure loss coefficients of cascade with different excitation frequencies

圖19 給出不同激勵(lì)頻率葉柵通道內(nèi)瞬態(tài)的Q 等值面圖，可發(fā)現(xiàn)合成雙射流的周期性吹吸會(huì)影響流場(chǎng)特性。合成雙射流能打碎吸力面表面形成的分離渦。隨著激勵(lì)頻率的增大，吸力面分離渦的流向尺度縮短，并使得下游的尾跡渦更加細(xì)碎。合成雙射流改變吸力面表面流場(chǎng)參數(shù)的變化，使得其隨著激勵(lì)頻率的改變而改變，促進(jìn)分離渦發(fā)生周期性脫落，受迫振蕩效應(yīng)明顯。

圖19 不同激勵(lì)頻率葉柵通道內(nèi)的渦結(jié)構(gòu)（Q=2×106）Fig.19 Vortex structures in blade passage with different excitation frequencies （Q=2×106）

3 結(jié) 論

本文以三維軸流壓氣機(jī)大折轉(zhuǎn)角平面擴(kuò)壓葉柵為研究對(duì)象，提出一種利用合成雙射流改善葉柵流場(chǎng)損失的控制方法。通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析合成雙射流位置、動(dòng)量系數(shù)、激勵(lì)頻率的影響，得出如下結(jié)論：

1）大折轉(zhuǎn)角葉柵葉片負(fù)載大，在0°攻角即處于失速狀態(tài)，吸力面表面形成非對(duì)稱分離渦。合成雙射流可有效將葉柵流場(chǎng)變?yōu)閷?duì)稱結(jié)構(gòu)，從而降低流動(dòng)損失，總壓損失系數(shù)最大降低54.8 %。

2）合成雙射流的射流槽位置是影響控制效果的關(guān)鍵因素。在原始葉柵的分離渦強(qiáng)度較大且充分發(fā)展的位置施加控制，效果最好。過(guò)早布置合成雙射流會(huì)增大流場(chǎng)損失，總壓損失系數(shù)大于無(wú)控制狀態(tài)。在分離渦已充分發(fā)展且強(qiáng)度減弱的位置施加控制效果較差，無(wú)法改變非對(duì)稱流場(chǎng)結(jié)構(gòu)但能改善葉柵下游尾跡渦結(jié)構(gòu)。

3）射流動(dòng)量系數(shù)和激勵(lì)頻率是重要控制參數(shù)。射流動(dòng)量系數(shù)存在有效閾值，合成雙射流必須具備足夠的動(dòng)量與邊界層低能流體發(fā)生動(dòng)量交換。過(guò)大的射流動(dòng)量系數(shù)使得合成雙射流與主流流場(chǎng)的剪切作用增強(qiáng)，減弱控制效果。當(dāng)其余控制參數(shù)都處于較優(yōu)范圍內(nèi)時(shí)，各激勵(lì)頻率都可保持較好的控制效果。

本文研究吸力面合成雙射流參數(shù)對(duì)葉柵損失控制的影響。吸力面的合成雙射流可有效減小葉柵表面的流動(dòng)損失，但角區(qū)損失依舊較大。結(jié)合本文結(jié)論，可推測(cè)在端壁施加合成雙射流有可能獲得較好的控制效果，且端壁與吸力面的合成雙射流組合控制則有可能彌補(bǔ)單個(gè)控制方案的不足并進(jìn)一步提升控制效果。下一步將研究端壁合成雙射流參數(shù)對(duì)控制效果的影響，并嘗試開展組合優(yōu)化控制研究。