[科普中国]-叶片-涡流相互作用

叶片

随着航空领域技术的不断发展，飞机更新换代的速度也越来越快。不同用途的飞机上配备着不同种类的发动机。发动机为飞机提供了动力，因而被称为飞机的“心脏”。发动机中叶片零件的数量最多，而发动机就是依靠这众多的叶片完成对气体的压缩和膨胀以及以最高的效率产生强大的动力来推动飞机前进，故而叶片也就毫无疑问的成为了飞机发动机关键的也是最重要的零件之一。对于发动机涡轮叶片，包括导向叶片和工作叶片，如图所示，其主要作用是将燃气的热能转换为旋转的机械动能。

叶片属于高速旋转件，所受的载荷复杂，使用环境恶劣，它们在高压腐蚀性燃气的冲击下高速旋转，不仅承受着巨大的交变拉应力和扭转应力，而且还受到热腐蚀、高温氧化和磨损的综合作用。由于叶片零件非常特殊，其数量多，要求高，形状复杂，加工难度大，其复杂的制造工艺导致对叶片每个生产加工环节的控制上要求都很严格，稍有疏忽就有可能使叶片在制造过程中产生缺陷。所以，在叶片制造的总工作量中叶片检测工作量占了相当大的比例。在生产和使用过程中，航空发动机叶片都是检测和定期监测的重点对象。叶片缺陷的种类很多，很多缺陷的危害性短时间内表现不出来。根据航空发动机无损检测ASTME192验收标准，像气孔、夹杂等缺陷，有一定的接受标准，如气孔最大尺寸大于0.508 mm可判定叶片为不合格，若最大尺寸小于0.508 mm可判定为合格，但如果判定缺陷性质是裂纹，无论尺寸大小，都判定叶片为不合格。1

涡流在进气过程中产生的绕气缸轴线的有组织的气流运动，称为涡流。根据形成过程的不同，可以分为进气涡流、压缩涡流及燃烧涡流。在进气过程中由进气机构和气缸壁导向共同形成的涡流称为进气涡流；由压缩过程形成或保持的涡流称为压缩涡流；在直喷柴油机中，由进气涡流和压缩涡流保持到燃烧过程，或在燃烧过程中形成或加强的涡流称为燃烧涡流。

内燃机中普遍采用专门设计的进气道，使得空气在吸入气缸时，能产生绕气缸轴线旋转的进气涡流，同时，压缩期间旋转气流从气缸工作容积进入活塞顶凹坑将产生压缩涡流，进一步增强燃烧室内的气流运动。进气涡流可以一直持续到燃烧膨胀过程，压缩涡流的持续时间比较短暂，但因涡流速度较高，能把握对燃烧十分有利的时机，所以对燃烧起着很重要的作用。

在柴油机中，在气缸内组织空气的涡流运动是加强缸内气体流动的方法之一。实验表明，组织适当强度的涡流，能有效的改善柴油机的燃烧和性能。2

相互作用涡流噪声，又称为紊流噪声，它主要是气流流经叶片界面产生分裂时，形成附面层及漩涡分裂脱离，而引起叶片上压力的脉动，辐射出一种非稳定的流动噪声。

在舰船的辐射噪声源的组成中，螺旋桨噪声占极其重要的位置，螺旋桨噪声中，涡流噪声是中、高频连续谱的主要噪声源，也是噪声机理最复杂的部分。目前流动噪声研究主要采用Lighthill声类比理论进行分析，该理论将声辐射分为远场声传播区域和近场声源区域。采用近场CFD确定声源强度和远场求解非齐次波动方程相结合的混合方法进行求解。声类比理论的不足在于其假定流动发声的声源项是确定的，只是流场的副产品。同时，如何从流场分析的角度简便有效地辨识主要噪声源，也是目前实际应用中经常遇到的问题。从20世纪60年代以来，Powell、 Howe和Doak等人从涡动力学角度出发，对于流体发声的内部机理、声波与湍流的相互作用等基础问题进行了研究，建立了涡声理论。该理论对于等嫡条件下的低马赫数流动发声机理具有较好的适用性。

刘竹青等基于叶剖面周围精细流动结构数值模拟以及PIV测试技术建立了叶剖面周围精细流场的计算方法，在此基础上对涡流诱发的辐射噪声进行了预测，分析了不同叶剖面涡流结构与远场辐射噪声的相关关系，为今后低噪声叶剖面的设计提供了设计基础。3