新型高性能航空發(fā)動機對核心部件之一的壓氣機提出高負荷的設(shè)計需求。高負荷壓氣機葉片表面易產(chǎn)生流動分離，進而喪失做功能力并造成氣動損失，其中損失主要是葉型和端壁損失。前期，研究人員針對如何降低端壁流動損失開展了較多研究，但較少研究如何降低高負荷壓氣機葉型損失。針對這一問題，中國科學(xué)院工程熱物理研究所先進燃氣輪機實驗室研究團隊根據(jù)自然界鯊魚表皮流向肋片結(jié)構(gòu)可降低流阻現(xiàn)象，提出了在壓氣機葉片表面安裝微型肋片結(jié)構(gòu)以降低葉型氣動損失的研究思路。

研究人員借助開源CFD代碼OpenFOAM模擬壓氣機葉柵通道內(nèi)部流動，比較大渦模擬結(jié)果與葉柵實驗結(jié)果，驗證擬使用數(shù)值方法的準確性；將微型肋片結(jié)構(gòu)安裝到壓氣機葉柵吸力表面上，以降低摩擦阻力。通過對比施加肋片結(jié)構(gòu)前后壓氣機葉片邊界層流阻、內(nèi)部湍流擬序結(jié)構(gòu)和湍流脈動變化特征，研究人員發(fā)現(xiàn)，肋片結(jié)構(gòu)可降低貼附湍流邊界層產(chǎn)生的氣動損失，降損程度最高可達到20%以上。其背后的主要流動機理來自兩方面：微型肋片可抑制湍流邊界層的側(cè)向脈動；肋片結(jié)構(gòu)的存在使得湍流邊界層內(nèi)部的湍流渦位置沿壁面法向抬升，導(dǎo)致湍流渦結(jié)構(gòu)與固壁的接觸面積降低。目前，研究人員正開展相關(guān)葉柵風(fēng)洞實驗測量。

系列研究表明，微型肋片結(jié)構(gòu)在降低高負荷壓氣機葉型損失方面具有潛力，但仍需研究肋片結(jié)構(gòu)與邊界層轉(zhuǎn)捩的相互作用以及在三維復(fù)雜流動環(huán)境下如何合理布置肋片等問題。

相關(guān)研究成果以Physical mechanisms investigation of sharkskin-inspired compressor cascade based on large eddy simulation method為題，發(fā)表在ASME Turbomachinery Technical Conference & Exposition 2020上。該研究得到博士后創(chuàng)新人才支持計劃等的支持。

圖1.微型肋片布置方案

圖2.微型肋片流動控制效果