[发明专利]一种抑制压气机失速的非定常等离子体激励布局设计方法

说明书

公开一种非定常等离子体激励布局的实现方法，包括：利用数值仿真得到近失速工况压气机转子叶尖区域流动特征；基于近失速工况压气机转子叶尖区域流动特征，确定等离子体激励诱导形成体积力方向的变化规律；依据函数f(t)的曲线，获得弯曲的等离子体激励布局。本发明方法基于近失速点压气机转子叶尖流动特性设计非定常的等离子体激励布局，使得等离子体激励诱导体积力的方向沿周向不断变化，时刻与主/回流交界面垂直，实现对压气机转子叶尖区域流场的非定常激励，从而实现对压气机失速的高效抑制。

技术领域

本发明涉及等离子体技术，具体涉及一种抑制压气机失速的非定常等离子体激励布局设计方法。

背景技术

随着压气机级压比和气动负荷的不断提高，强的逆压梯度导致压气机内部二次流和分离结构更加复杂，往往会引起强的流动损失和堵塞，保持所必需的失速裕度就变得异常困难。为了保证高负荷压气机足够的失速裕度，人们从气动设计角度作了很多尝试，如：低展弦比和高稠度设计、弯掠造型、大小叶片等。由于这些被动调控措施很难在发动机全工况内对压气机失速进行有效控制，仅依靠其以突破压气机负荷极限仍面临巨大挑战，进而早期应用于外流的主动流动控制技术开始被应用于高负荷压气机设计之中。传统的主动流动控制技术，如吹/吸气，往往具有机械结构复杂、驱动装置重量大、激励频带和响应速度受限等特点，不利于其在航空发动机中的应用。相对于传统主动流动控制技术，等离子体流动控制技术则具有结构简单、功耗低、响应速度快和激励频带宽等特点，将其应用于压气机失速的控制具有重要的理论意义和明显的工程应用价值。

等离子体流动控制最早应用于超声速流动中的激波减阻，已有几十年的时间，而压气机失速等离子体流动控制起步较晚。相对于常规主动控制手段，等离子体流动控制具有结构简单、无运动部件、响应速度快和激励频带宽等特征，对复杂、非定常流动的控制具有明显的优势，在引入到压气机内流流动控制之后很快受到了广泛关注。根据激励电源不同，介质阻挡放电(DBD)等离子体激励可分为纳秒脉冲DBD等离子体激励，其对流场的影响主要是“冲击效应”，即流场中的部分空气或外加气体电离时产生局部温度升和压力升(甚至产生冲击波)，对流场局部施加冲击扰动；正弦波DBD等离子体激励，其对流场的影响主要是“动力效应”，即在流场中电离形成的等离子体或加入的等离子体在电磁场力作用下定向运动，通过离子与中性气体分子之间的相互碰撞，形成作用于流体的体积力。目前压气机失速等离子体流动控制的研究中主要是基于正弦波DBD等离子体激励展开，本发明所使用的等离子体激励均指代正弦波DBD 等离子体激励。对于传统的抑制压气机失速的等离子体激励布局，其诱导形成体积力的方向一般保持恒定，通过控制压气机转子叶尖流动实现对压气机失速的抑制。实际上近失速工况下，压气机转子叶尖区域流动极其复杂，方向恒定的体积力很难对其进行有效控制。

发明内容

针对现有技术存在等离子体激励抑制压气机失速能力不足的问题，本发明基于近失速工况下压气机转子叶尖区域复杂流动设计了一种非定常等离子体激励布局，可有效提升等离子体激励抑制压气机失速的能力。

本发明提供一种非定常等离子体激励体积力方向变化规律的确定方法，包括下列步骤：

第一步：利用数值仿真得到近失速工况压气机转子叶尖区域流动特征；

仿真采用k-ω湍流模型对p个转子通道进行计算，p＞2；单个转子通道计算网格数不少于30万，且要保证固壁面处第一层网格到壁面的无量纲距离即 y⁺＜2；非定常数值中物理时间步长为1/m叶片通过周期，m＞30，每个物理时间步长下所迭代的虚拟时间步数为q，q＞5；仿真中所有固壁面均采用绝热无滑移壁面条件，计算域进口按实验条件给定总压；将计算域出口与静子距离设为l倍转子叶顶弦长，l＞10，出口给定大气压作为平均反压，出口的几何形状的纵剖面采用三次收缩曲线，保证曲线两端的切线方向与压气机轴向一致，仿真中通过调节机匣和轮毂的收缩曲线改变出口面积，以达到节流的目的；

第二步：基于近失速工况压气机转子叶尖区域流动特征，确定等离子体激励诱导形成体积力方向的变化规律；该变化规律的所表现的函数形式为多个正弦函数的叠加：