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.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-264269 |
| Date | January 2019 |
| Creators | Wang, Haotian |
| Publisher | KTH, Skolan för industriell teknik och management (ITM) |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-ITM-EX ; 2019:688 |
Page generated in 0.0035 seconds