输入电压对低压汽轮机在低雷诺数流动分离控制等离子体致动器

文摘

主动流动控制采用介质阻挡放电(DBD)等离子体致动器进行再植模拟吸力面边界层分离的低雷诺数的涡轮叶片,Re = 1.7×10⁴。弯曲的流动分离是诱导板安装在低速风洞测试区。粒子图像测速仪(PIV)被用来获取瞬时和上二维速度测量。血浆致动器的输入电压幅度是不同的从±2.0 kV±2.8 kV。分离流重新输入电压时弯曲墙上±2.4 kV及以上。附近的边界层位移厚度的后缘在±2.0 kV下降了20%。位移厚度突然减少多达56%±2.2 kV,并减少逐渐从±2.4 kV±2.8 kV(减少77%)。总压力损失系数,估算边界层位移厚度和动量厚度是0.172的基线条件(执行机构)。总压力损失减少到0.107(减少38%)在±2.2 kV和0.078±2.8 kV(减少55%)。

1。介绍

低压涡轮叶片雷诺数的中小型航空燃气轮机推进会降至2.5×10⁴在高海拔地区,空气密度低(1]。在这些低雷诺数,由层流边界层为主,容易流动分离和强烈的二次旋涡,发展成损失增加,导致性能降低。

新开发的高效小型燃气轮机为工业发电也遇到的低雷诺数问题,因为造成的增加粘度高的涡轮进口温度和小型化的级联2]。几项研究关注的空气动力涡轮级联低雷诺数已发表(3- - - - - -7]。

不同的被动和主动流动控制技术开发了提高涡轮叶片的效率在低雷诺数(8]。被动控制装置,如酒窝和固定的紊流器,传统方法触发过渡和诱导回贴,但创建不良拖在高雷诺数。主动控制设备只在需要时可以使用。涡生成飞机(VGJs)和等离子体致动器是突出主题的最近的研究活跃的流控制。

介质阻挡放电(DBD)的应用等离子体致动器被罗斯证明了et al。9)在1998年和已经发展在过去的十年里从基础研究到广泛的应用[10]。

图1显示了一个简单的示意图DBD等离子体的致动器配置。DBD等离子体的致动器由一个介电层夹在顶部和底部电极。应用高电压(大约在高频率)顶部和底部电极之间形成一层辉光放电等离子体介质表面。这引发一个切向空气喷射与强大的水平速度分量。众所周知,合成的方向切向飞机是恒定的和独立的电极电压,外加电压的极性的和独立的11]。

DBD等离子体致动器也被用在许多低压涡轮分离控制研究[12- - - - - -18]。为了区分这从这些先前的研究工作,本文重点详细的PIV流数据的表示和相应的分析在不同等离子体致动器的输入电压。

本研究的目的是探讨最有效的主动流动控制DBD等离子体致动器的操作简化实验。本研究的实验结果将被用作DBD等离子体的基本数据,考虑应用程序执行机构的环形涡轮风洞与单级轴流式涡轮(19,20.]。介绍粒子图像测速仪(PIV)测量的结果了解流动机制和等离子体的不同振幅的影响致动器输入电压。

2。实验装置和方法

图2显示了测量系统。低速风洞,开路,鼓风式设施与305毫米×85毫米×65毫米测试部分。

一个弯曲的壁板(回水区长度毫米)被安装在测试部分的风洞为了模拟涡轮叶片的吸力面的分离流。图3显示了几何设计图面速度分布,来自一个非粘性的计算,对应的中跨的涡轮转子叶片在巨大的环形涡轮风洞(19,20.]。表1显示相应的无量纲参数汽轮机转子中跨。弧形墙的形状设计使用一个简单的一维连续性参数匹配设计相应的涡轮叶片表面速度和压力分布。血浆致动器是安装在前面的逆压力梯度地区(地区)减速在弯曲的墙。

粒子图像测速技术(PIV)是用来量化的行为周围的流场弯曲的墙。激光是一个25 mJ /脉冲,双脉冲Nd-YAG激光(MiniLase II, 20赫兹,新一波研究有限公司)。雾化癸二酸二辛酯(DOS)石油平均粒径为1μm是注入了上游的测试部分通过加压油室。图像对被相机(PIV凸轮13-8,TSI Inc .), 1280×1024像素的分辨率。TSI软件计算出速度矢量相关峰值的组帧之间的粒子,利用传统互相关算法的32×32像素网格。为了计算平均速度分布,50瞬时速度分布测量在每个实验条件。应该注意,此外数据附近的等离子体装置具有较低的可靠性比的主要流程,由于激光反射的上电极等离子体传动装置、大速度梯度在诱导喷气,播种的可能性粒子受电场(21,22]。

图4显示了测试区几何和PIV测量电网。在这些实验中,风洞鼓风机的转速保持不变。流向速度的主要流后缘附近(毫米)几乎是常数,米/秒,为每个输入电压条件下,后来在图所示11。因此,基于回水区雷诺数弧形墙的长度,,流向速度的主要流后缘附近,Re = 1.7×10⁴。

等离子体的上电极的边缘传动装置、表面等离子体形成的,是位于毫米的前缘。一层很薄的聚酰胺(125μ米厚度,相对介电常数)作为介质阻挡等离子体的致动器。至于电极,薄片的铜(厚度= 35μ米)粘和压到双方的介质。高电压、高频电源(PG1040FψInc .),它可以输出双正弦波形,用于提供输入信号顶部和底部电极。底部电极连接到地面,V。输入电压的振幅上电极从2.0 kV不一到2.8 kV (4.0 - -5.6 k)。输入电压的频率是固定在kHz。

3所示。结果与讨论

3.1。瞬时绝对速度分布

图5PIV图像的显示了一个示例,瞬时绝对速度,基线的涡量分布情况(等离子体致动器)。大规模流动分离是可视化流PIV图像的减速区域图5(一个)。大型低速区域,由蓝色的轮廓图5 (b),对应于流动分离。(或回贴的边界层分离的标准是基于边界层形状系数,如图15后)。流向的分离边界层是稳定的位置毫米(起始位置的流动分离)mm弦长位置(即70%)。的下游分离流mm变得不稳定和大型顺时针漩涡生成。

图6PIV图像显示了一个示例,瞬时绝对速度和流量控制的涡量分布情况(等离子体致动器,输入电压kV、最大输入电压在这项研究)。分离流区域大幅减少使用等离子体流控制致动器。的流动分离mm之后变得不稳定和小顺时针漩涡生成。小流结构的相似现象的影响观察等离子体致动器流动显示的标志等。18]。使用等离子体流控制致动器结果在附加流后缘。

3.2。时间上绝对速度分布

图7显示的放大视图时均分离地区的绝对速度分布(蓝色虚线框,如图4)在不同输入电压。这些分布的计算是通过平均50瞬时速度分布如图5和6。在这些数字,流线叠加速度轮廓。

大分离地区观察到基线条件图(执行机构)7(一)逐渐减少主动控制的效果数据7(b),7(c),7(d),7(e)7(f)。

在基线条件图7(a)、大型逆流分离地区的观察。在流量控制的情况下kV在图6 (b)大型循环分离地区的存在,和后缘附近的低速区略有减少。在流量控制的情况下kV在图6 (c),再循环分离地区成为减少在大小和位置的中心移动的上游。分离流的再附着在表面的弯曲的墙前的后缘。在数据6(d),6(e)6(f)随着输入电压的增加,分离地区的再循环变得更小和更上游移动。减少分离地区LDV测量中可观察到黄等。13),的PIV测量Boxx et al。16),总压强测量的缅甸人et al。17),和表面压力测量标志et al。18]。

3.3。湍流强度分布

图8显示了湍流强度分布在不同输入电压。在这些数字,速度矢量叠加在湍流强度轮廓。湍流强度计算如下: 平均湍流强度是规范化的流向速度的主要流附近的后缘毫米,m / s,如图11以后。

在基线条件图8(a),高湍流强度地区存在的主要流动和分离流之间的界限。宽高湍流强度地区突然后生成毫米。这一现象对应的事实分离边界层是稳定的mm毫米后,会变得不稳定嗯,如图5。宽高湍流强度地区之后mm是由于不稳定的过渡分离边界层。

在流量控制的情况下kV在图8(b),高湍流强度地区后生成毫米,比基线条件进一步上游。

在流量控制的情况下kV在图8(c),高湍流强度地区进一步上游和接近弯曲的墙比kV条件,图8(b)。

在数据8(c),8(d),8(e)8(f),输入电压增加,高湍流强度地区移动更多的上游和接近宽度的弯曲的墙,变得越来越小。

3.4。速度分布在等离子体致动器

图9显示了流向速度的垂直分布血浆致动器的中心附近,毫米,(红色虚线图4)。垂直的位置mm对应的表面弯曲的墙。在基线条件(图中黑线),主要流的流向平均速度是2.05米/秒。的流向速度边界层mm是接近于零由于弯曲墙附近的流动分离。在kV(红线),流向平均速度的主要流量增加到2.26米/秒(基线条件)增长10%。边界层的流向速度增加到0.73 m / s。在kV(粉红色),流向平均速度的主要流量增加到2.48米/秒(基线)增长21%,在边界层增加到0.89 m / s。在kV(橙色),流向平均速度的主要流略有增加到2.51米/秒,在边界层增加到1.27 m / s。最大输入电压kV(蓝色),流向平均速度的主要流量增加到2.58米/秒(基线)增长26%,在边界层增加到1.66 m / s。

图10显示垂直速度的垂直分布在等离子体装置附近。积极的价值意味着向上流动方向和负值意味着向下流动。

在基线条件(黑线),垂直速度的主要流程mm是0.27 m / s。随着输入电压的增加,垂直速度的主要流量逐渐降低等离子体的主动流动控制致动器的影响。的最大电压kV(蓝色),垂直速度的主要流程mm变得−0.07米/秒(0.34米/秒减少从基线条件)。

的垂直速度边界层毫米的几乎是零基准条件。在kV(红线),垂直速度边界层增加到0.3 m / s由于诱导等离子体流的执行机构。随着输入电压的增加,垂直速度边界层逐渐减少。

图11显示了气流角的垂直分布在等离子体装置附近。积极的价值意味着向上流动和负值意味着向下流动。随着输入电压增加,气流角的主要流和边界层逐渐减少的影响等离子体的主动流动控制致动器(即。在分离角,减少)。在kV,减少气流角9度的主要流和边界层的23度,分别。

3.5。后缘附近的速度分布

图12显示附近的流向速度的垂直分布后缘,毫米,布朗(虚线图4)。垂直轴的底部(垂直位置毫米)对应于表面的后缘弯曲的墙。主要流的流向速度几乎是常数(m / s)对所有输入电压条件。在基线条件(图中黑线),大速度逆差反向流动的表面附近存在弯曲的墙。边界层厚度(弯曲的墙面和垂直位置之间的距离以99%的主要流速)大约是(从21毫米mm毫米)。在kV(红线),回流减少但边界层厚度是一样的基线。在kV(粉红色),边界层的速度突然增加。回流区域完全消失,边界层厚度减少到17毫米。在kV(橙色),在边界层速度分布的形状变得很线性。在kV和kV(绿色和蓝色),在边界层速度分布是进一步改善和塑造成为凸的。

图13显示垂直分布的垂直速度在机翼后缘附近,毫米。随着输入电压的增加,垂直速度的主要流和边界层减少减少(最大0.42 m / skV)。

图14显示垂直分布的后缘附近的湍流强度,毫米(虚线图8)。虽然主要的流的湍流强度为基线,基线是2.1%的流量控制条件增加至2.8%kV和在。轻微的扰动强度增加的主要流动是由于流波动产生的等离子体装置交流操作。在基线条件下,边界层中的湍流强度最大是17.5%。最大湍流强度增加到20%,减少16%和14%kV在分别千伏。输入电压的增加,最大湍流强度的垂直位置移动靠近墙,表明分离边界层的回贴。类似现象的湍流强度变化的影响观察等离子体致动器的PIV测量Boxx et al。16]。

3.6。边界层位移厚度和动量厚度后缘

图15显示了位移厚度,后缘附近的边界层。位移在±2.0 kV厚度减少了20%。位移厚度突然减少多达56%±2.2 kV,并减少逐渐从±2.4 kV±2.8 kV(减少77%)。

图16显示了动量厚度,后缘附近的边界层。动量厚度为2.45毫米的基线条件。动量厚度略有增加到2.61毫米(上升6.5%)kV,边界层速度的形状是一条直线,如图12。然后动量厚度减少1.95毫米(减少20.4%)千伏。

3.7。在机翼后缘边界层形状系数

图17显示了边界层形状系数(后缘附近)。形状因子6.40在基线条件和减少随着输入电压的振幅增加。

使用实证变量相关性开发初期和完整的超然和回贴的二维表面湍流边界层23]。的标准的相关性对分离地区(完全脱离),断断续续的超然,为附加边界层(回贴)。

从相关性,在基线和边界层kV分离,是间歇性地分离,在哪里,±2.6和±2.8 kV跌落。

3.8。总压力损失估计

图18显示总压力损失的评估。总压损失系数,从边界层位移厚度,据估计,和动量厚度,,使用以下相关24]: 在哪里通道的宽度(60毫米),后缘厚度(1.9毫米),基地的压力系数。因为值是未知在这项研究中,典型的价值用于估计。第三项包括是关于的;因此,未知的影响价值被认为是相对小于第一和第二项。

总压损失系数为0.172的基线条件。总压力损失减少到0.107(减少38%)在±2.2 kV,和0.078±2.8 kV(减少55%)。

4所示。结论

积极使用介质阻挡放电等离子体流控制致动器研究再植模拟分离流对涡轮叶片的吸力面低雷诺数、Re = 1.7×10⁴。弯曲的流动分离是诱导板安装在低速风洞测试区。粒子图像测速仪(PIV)被用来获取瞬时和上二维速度测量。血浆致动器的输入电压幅度是不同的从±2.0 kV±2.8 kV。由于使用等离子体流控制致动器,分离流被成功地减少了。附近的边界层位移厚度的减少后缘为20%±2.0 kV。位移厚度突然减少多达56%在±2.2 kV和减少逐渐从±2.4 kV±2.8 kV(减少77%)。总压力损失系数,估算边界层位移厚度和动量厚度是0.172的基线条件。总压损失系数降低到0.107(减少38%)在±2.2 kV,和0.078±2.8 kV(减少55%)。

命名法

:	基准压力系数、−0.15(典型值)
:	总压损失系数
:	扩散系数
:	输入电压的频率
:	形状因子()
:	回水区弧形墙的长度,100毫米
:	在入口总压
:	在出口Mass-averaged总压强
:	雷诺数
:	湍流强度
:	后缘厚度1.9毫米
:	绝对速度
:	在出口Mass-averaged绝对速度
:	最大的绝对速度
:	流向速度
:	平均流向速度的主要流后缘附近
:	流向速度的随机波动(湍流)组成部分
:	垂直速度
:	随机波动(湍流)组件的垂直速度
:	输入电压幅度
:	流道宽度在机翼后缘,60毫米
:	流向(水平)的距离
:	垂直距离
:	边界层位移厚度
:	边界层动量厚度
:	气流角
:	密度。

确认

本研究支持的补助金的年轻科学家(B) KAKENHI(没有。20760124)的教育、文化、体育、科学和技术(下边了),日本。作者真诚地感谢盖朱克斯诺丁汉大学的博士对他有用的建议。

引用

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