新型高性能航空發動機對核心部件之一的壓氣機提出高負荷的設計需求。高負荷壓氣機葉片表面易產生流動分離，進而喪失做功能力並造成氣動損失，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，中國科學院工程熱物理研究所先進燃氣輪機實驗室研究團隊根據自然界鯊魚表皮流向肋片結構可降低流阻現象，提出了在壓氣機葉片表面安裝微型肋片結構以降低葉型氣動損失的研究思路。
研究人員藉助開源CFD代碼OpenFOAM模擬壓氣機葉柵通道內部流動，比較大渦模擬結果與葉柵實驗結果，驗證擬使用數值方法的準確性；將微型肋片結構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構前後壓氣機葉片邊界層流阻、內部湍流擬序結構和湍流脈動變化特徵，研究人員發現，肋片結構可降低貼附湍流邊界層產生的氣動損失，降損程度最高可達到20%以上。其背後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向脈動；肋片結構的存在使得湍流邊界層內部的湍流渦位置沿壁面法向抬升，導致湍流渦結構與固壁的接觸面積降低。目前，研究人員正開展相關葉柵風洞實驗測量。
系列研究表明，微型肋片結構在降低高負荷壓氣機葉型損失方面具有潛力，但仍需研究肋片結構與邊界層轉捩的相互作用以及在三維複雜流動環境下如何合理佈置肋片等問題。
相關研究成果以Physical mechanisms investigation of sharkskin-inspired compressor cascade based on large eddy simulation method為題，發表在ASME Turbomachinery Technical Conference & Exposition 2020上。該研究得到博士後創新人才支持計劃等的支持。
圖1.微型肋片佈置方案
圖2.微型肋片流動控制效果
來源：中國科學院工程熱物理研究所
【來源：中科院之聲】
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