1 |
Influence on tip leakage flow in a compressor cascade with plasma actuationWang, Haotian January 2019 (has links)
As one of the key components of aero engines, compressor is required to endure higher pressure, possess higher efficiency and wider operating range. Intensive studies have been made on tip leakage flow and researchers find that by reasonably organizing tip leakage flow, aero engines are more likely to achieve better performance and reliability. Conventional flow controlling methods like casing treatment and micro jet could substantially modify tip leakage flow, unfortunately with a price of additional loss, not to mention the difficulty in manufacturing such structure. Whereas plasma actuation flow control method uses plasma actuators, such equipment is easy to build, responses fast and has a wide excitation bandwidth. This method has become a new trend in internal flow active control field. In this research, a phenomenological model is adopted to simulate DBD plasma actuation in the flow field inside a compressor cascade. The aim is to find out how plasma actuation will influence tip leakage flow. Meanwhile possible means to improve plasma actuation performance are discussed. First of all, numerical simulation of flow inside a compressor cascade without plasma actuation is conducted to validate accuracy of the numerical methodology adopted and then determine one numerical approach that satisfies specific needs sufficiently. Meanwhile, influence of casing movement on tip leakage flow as well as possible mechanism of tip leakage vortex core generation is investigated in detail. The results indicate: 1. Generating position of tip leakage vortex moves towards leading edge with increasing moving speed of shroud. 2. As shroud moving speed increases, trajectory of tip leakage vortex moves away from suction side of blade and closely towards shroud. 3. Casing movement tends to transform tip leakage vortex from circular to oval shape due to circumferential shearing. 4. Casing movement has little influence on total pressure field concerning absolute pressure value. While total pressure loss does reduce slightly with increasing moving speed of shroud. 5.Vorticity transport from tip clearance into passage may be contributing significantly to generation of tip leakage vortex inner core. Secondly, a simplified model of DBD plasma actuation based on literature [1] is derived and applied through UDF function of commercial software Fluent into the flow field. Different actuation positions, voltages and frequencies are applied in simulation and compared. After that casing movement is included. Main conclusions are as follow: 6. Plasma actuation shows significant suppressing effect on tip leakage vortex on both size, trajectory and strength. 7. The suppressing effect on tip leakage vortex grows stronger as actuator moves towards leading edge. 8. Increasing actuation voltage results in stronger suppressing effect on tip leakage vortex. 9. Plasma actuation can effectively improve total pressure loss situation near shroud region with increasing actuation power. 10. Increasing actuation frequency results in stronger suppressing effect on tip leakage vortex as well. Additionally, frequency performs slightly better than voltage. 11. Casing movement tends to weaken suppressing effect of tip leakage vortex by plasma actuation. More actuation power is needed to achieve sufficient suppressing effect in real compressors. / Som en av de viktigaste komponenterna i flygmotorer krävs det att kompressorn utsätts för högre tryck, har högre effektivitet och större driftsintervall. Intensiva studier har gjorts om skovlarnas toppspel läckageflöde och man anser att det är mer sannolikt att flygmotorer uppnår bättre prestanda och tillförlitlighet genom att på ett rimligt sätt reglera läckageflödet i toppspelet. Konventionella metoder för reglering av flödet, som behandling av “casing” och mikrojet, skulle kunna ändra läckageflödet avsevärt, men medför tyvärr ytterligare förlust, för att inte tala om svårigheten att tillverka en sådan struktur. Samtidig flödeskontroll med hjälp av plasma aktuatorer som är relativt lätta att bygga, reagerar snabbt och har en bred excitationsbandvid. Denna metod har blivit en ny trend inom det interna flödesaktiva kontrollområdet. I denna forskning antas en modell för att simulera plasmaaktivering av DBD i flödesfältet i en kompressorskaskad. Man försöker ta reda på hur plasmaaktivering påverkar läckageflödet. Möjliga sätt att förbättra effekten av plasmaaktivering diskuteras. För det första genomförs numerisk simulering av flödet i en kompressorskaskad utan plasmaaktivering för att validera noggrannheten i den numeriska metoden. Därefter undersöks i detalj vilken inverkan den relativa rörelsen av ”casing” har på läckageflödet genom toppspelet och mekanismen för toppspelsvirvel analyseras. Resultaten visar: 1. Startposition för läckagevirveln rör sig mot skovelns framkant när man introducerar och ökar den relativa hastigheten för ”casing”. 2. I takt med att den relativa hastigheten ökar, kretsbanan för läckage virveln rör sig bort från skovelns sugsida och närmare mot ”casing”. 3. Den relativa rörelsen tenderar att omvandla virveln från cirkulär till oval form på grund av skjuvkrafter. 4. Den relativa rörelsen av ”casing” påverkar inte det totala tryckfältet när det gäller det absoluta tryckvärdet. Samtidigt som den totala tryckförlusten minskar något med ökad hastighet. 5. Virveltransport från toppspelet till huvudkanalen kan på ett betydande sätt bidra till att skapa virvelns inre kärna. I senare delen av arbetet utvecklas och tillämpas en förenklad modell för plasmaaktivering av DBD baserad på litteratur [1], genom att använda UDF‐funktionen i kommersiell CFD programvara Fluent. Olika aktuatorläge, spänningar och frekvenser prövas i simuleringen och jämförs. De viktigaste slutsatserna är följande: 6. Aktuering av plasma visar en betydande dämpningseffekt på läckagevirveln i toppspelet både va det gäller dess storlek, bana och styrka. 7. Den dämpande effekten på läckagevirveln blir starkare när aktuator monteras närmare skovelns framkant. 8. Ökad aktuatorspänning leder till en starkare dämpande effekt på läckagevirveln. 9. Ökad aktuatorfrekvens leder till starkare dämpningseffekt på läckagevortex också.mDessutom fungerar frekvensen något bättre än spänningen. 10. Den relativa rörelsen av ”casing” försvagar effekten av plasmaaktuering. För att uppnå tillräcklig dämpningseffekt i riktiga kompressorer krävs mer effekt till aktuatorn.
|
2 |
Transition delay in boundary-layer flows via reactive control / Fördröjning av laminärt-turbulent omslag i gränsskiktströmning genom reaktiv kontrollFabbiane, Nicolò January 2016 (has links)
Transition delay in boundary-layer flows is achieved via reactive control of flow instabilities, i.e. Tollmien-Schlichting (TS) waves. Adaptive and model-based control techniques are investigated by means of direct numerical simulations (DNS) and experiments. The action of actuators localised in the wall region is prescribed based on localised measurement of the disturbance field; in particular, plasma actuators and surface hot-wire sensors are considered. Performances and limitations of this control approach are evaluated both for two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) disturbance scenarios. The focus is on the robustness properties of the investigated control techniques; it is highlighted that static model-based control, such as the linear-quadratic- Gaussian (LQG) regulator, is very sensitive to model-inaccuracies. The reason for this behaviour is found in the feed-forward nature of the adopted sensor/actuator scheme; hence, a second, downstream sensor is introduced and actively used to recover robustness via an adaptive filtered-x least-mean-squares (fxLMS) algorithm. Furthermore, the model of the flow required by the control algorithm is reduced to a time delay. This technique, called delayed-x least-mean-squares (dxLMS) algorithm, allows taking a step towards a self-tuning controller; by introducing a third sensor it is possible to compute on-line the suitable time-delay model with no previous knowledge of the controlled system. This self-tuning approach is successfully tested by in-flight experiments on a motor-glider. Lastly, the transition delay capabilities of the investigated control con- figuration are confirmed in a complex disturbance environment. The flow is perturbed with random localised disturbances inside the boundary layer and the laminar-to-turbulence transition is delayed via a multi-input-multi-output (MIMO) version of the fxLMS algorithm. A positive theoretical net-energy- saving is observed for disturbance amplitudes up to 2% of the free-stream velocity at the actuation location, reaching values around 1000 times the input power for the lower disturbance amplitudes that have been investigated. / I den här avhandlingen har reglertekniska metoder tillämpats för att försena omslaget från ett laminärt till ett turbulent gränsskikt genom att dämpa tillväxten av små instabiliteter, så kallade Tollmien-Schlichting vågor. Adaptiva och modellbaserade metoder för reglering av strömning har undersökts med hjälp av numeriska beräkningar av Navier-Stokes ekvationer, vindtunnelexperiment och även genom direkt tillämpning på flygplan. Plasmaaktuatorer och varmtrådsgivare vidhäftade på ytan av plattan eller vingen har använts i experimenten och modellerats i beräkningarna. Prestanda och begränsningar av den valda kontrollstrategin har utvärderats för både tvådimensionella och tredimensionella gränsskiktsinstabiliteter. Fokus har varit på metodernas robusthet, där vi visar att statiska metoder som linjär-kvadratiska regulatorer (LQG) är mycket känsliga för avvikelser från den nominella modellen. Detta beror främst på att regulatorer agerar i förkompenseringsläge (”feed-foward”) på grund av strömningens karaktär och placeringen av givare och aktuatorer. För att minska känsligheten mot avvikelser och därmed öka robustheten har en givare införts nedströms och en adaptiv fXLMS algoritm (filtered-x least-mean-squares) har tillämpats. Vidare har modelleringen av fXLMS-algoritmen förenklats genom att ersätta överföringsfunktionen mellan aktuatorer och givare med en lämplig tidsfördröjning. Denna metod som kallas för dxLMS (delayed-x least-mean-squares) kräver att ytterligare en givare införs långt uppströms för att kunna uppskatta hastigheten på de propagerande instabilitetsvågorna. Denna teknik har tillämpats framgångsrikt för reglering av gränsskiktet på vingen av ett segelflygplan. Slutligen har de reglertekniska metoderna testas för komplexa slumpmässiga tredimensionella störningar som genererats uppströms lokalt i gränsskiktet. Vi visar att en signifikant försening av laminärt-turbulentomslag äger rum med hjälp av en fXLMS algoritm. En analys av energibudgeten visar att för ideala aktuatorer och givare kan den sparade energiåtgången på grund av minskad väggfriktion vara upp till 1000 gånger större än den energi som använts för reglering.
|
Page generated in 0.0363 seconds