[发明专利]一种提高等离子体激励流动控制效能的激励布局优化方法

说明书

公开一种等离子体激励布局优化方法，将等离子体激励布置成吸力面激励布局、端壁激励布局和组合激励布局；分别计算不同等离子体激励下各等离子体激励流动控制效果相对于组合激励布局的收益，其数值越大说明等离子体激励的流动控制效果越好；定义参数Opg来综合评估各等离子体激励的能耗与流动控制收益；选取流动控制效能较高的等离子体激励组合施加于叶栅通道之中，获得优化的等离子体激励布局。本发明选取吸力面与端壁的组合激励布局为参照，通过综合考虑布置于叶片吸力面与端壁的各等离子体激励相对于组合激励布局能耗及流动控制收益的变化，评价各等离子体激励流动控制效能，获得优化的激励布局，以实现对高速压气机叶栅流动分离的高效控制。

技术领域

本发明涉及等离子体技术，具体涉及一种提高等离子体激励流动控制效能的激励布局优化方法。

背景技术

角区一般是指压气机叶片与机匣/轮毂的交界处，起始于转子根部和静子近端区的三维角区分离是压气机流动损失的重要来源，会引起强的流动堵塞和大的气流落后角，进而限制压气机负荷的提升。被动流动控制手段对压气机三维角区分离的影响能力较强，通过合理设计流动控制方案可以在指定的工作范围内显著削弱三维角区分离，然而在偏离指定状态时被动控制方法通常会因为造成低能流体或流体动量的再分配，而引入额外的流动掺混，最终会导致局部流动状况恶化，产生额外的流动损。与被动流动控制手段不同，主动控制手段可以在指定状态下发挥流动控制作用，而在非指定状态下退出工作状态以避免对流场产生不利影响。尽管常规主动控制手段不会在非指定状态下引起额外的流动损失，但与被动流动控制手段相比，主动流动控制手段附加的机械装置更加复杂。附面层抽吸在吸出扩压通道中的流体时不仅需要额外做功同时还损失了压气机压缩功，而向压气机内部注入足够的射流量往往需要较大的功率来驱动。相关研究表明非定常射流可以在抑制三维角区分离时节约大部分射流流量，但传统的机械作动系统很难满足高速旋转压气机内部流场较高的特征脉动频率。这些因素导致现有主动控制手段抑制压气机三维角区分离的相关研究成果在向工程应用转化时仍面临很多挑战。

等离子体流动控制是基于等离子体气动激励的一种新概念主动控制技术，具有结构简单、无运动部件、响应速度快和激励频带宽等特征，应用于压气机内部复杂、非定常流动的控制具有明显的优势，已被证明是控制压气机三维角区分离的一种有效手段。三维角区分离源于叶片通道二次流和逆压梯度，与叶片负荷水平直接相关，故高速来流条件下以现有的等离子体激励强度很难实现对其有效抑制，因此，高速压气机三维角区分离等离子体流动控制需要更高效的激励布局。三维角区分离的形成机制决定高速压气机三维角区分离的抑制必然需要更高的激励强度，而大功耗的流动控制措施很难走向实际工程应用。故针对高速压气机三维角区分离等离子体流动控制方案展开优化，获得更高效的等离子体激励布局对相关研究成果向工程应用的转化极为关键。

发明内容

如何在有限的激励强度下，提高等离子体激励的流动控制能力，是实现高速压气机流动分离等离子体流动控制的关键技术路径。本发明提供一种提高等离子体激励流动控制效能的激励布局优化方法，具体包括下列步骤：

(1)将等离子体激励布置于叶片吸力面，形成吸力面激励布局，在吸力面上共布置N组等离子体激励SA1～SAN，第一组激励SA1布置在距离叶片前缘 10-20％弦长位置，各组激励沿叶高方向布置，相互间隔10-20％弦长距离；将等离子体激励布置于叶片通道端壁，形成端壁激励布局，在端壁上共布置N组等离子体激励EA1～EAN；第一组激励EA1布置在距离叶片前缘10-20％弦长位置，各组激励沿当地叶片吸力面法向布置，相互间隔10-20％弦长距离；为开展激励布局优化，将常规的将吸力面激励与端壁激励进行组合形成流动控制能力更强的组合激励布局；采用组合激励布局，获得设组合激励布局下高速压气机叶栅通道出口流量平均总压损失系数、静压升系数和堵塞系数相对于基准条件下的变化率Δω_t0、Δδ₀和ΔB₀，将三个参数设为参考值；

计算过程中相关参数的定义如下：

总压损失系数的定义为：