通道渦

葉盆橫穿葉柵通道流向葉背的流動，並捲成一對漩渦，就是通道渦（passage vortex）。產生通道渦有兩個條件，其一是環壁附面層造成壁面附近速度低於勢流區速度；其二是流道彎曲，使流線彎曲產生離心力。因此，在工程實際中，所有流過彎曲管道內流動都會產生通道渦，如航空發動機彎曲的進氣道、壓氣機/風扇、渦輪以及彎曲的水管等。

基本介紹

• 中文名：通道渦
• 外文名：passage vortex
• 定義：葉盆橫穿葉柵流向葉背的流動漩渦
• 特點：所有流過彎曲管內流動都會產生
• 一級學科：航空科技
• 二級學科：航空原理

通道渦的形成

在圖1（左）中表示端壁附面層在無葉端間隙的二元葉柵中的偏轉。這偏是由加在低動量的附面層流體上的主流靜壓梯度所造成。用以顯示出流型的煙氣是在壁上通過探針引入的。附面層流線橫過槽道的一個下游視圖(圖1（右）)表明：當流線接近吸力面時，它向葉高方向偏轉，於是捲成渦型流動(插圖示意地表明整個流線流型)。探針測視表明，壁附面層中所有的流線幾乎都聚集到同一區域，並捲成氣流渦(圖2(a))。渦流形成的模型是這樣的：當引入煙氣的位置移向吸力面一邊時，沿著端壁的流線當它們接近聚集區時，顯示出向葉高增大的方向偏轉，在聚集區它們捲成渦的中心部分，正如圖2(b)示意地表明的那樣。

圖1

這二次流旋渦稱為“通道渦”，以便於強調這是通道壁的渦而不是由於沿葉片環量變化所形成的葉片後緣旋渦。通道渦的大小和渦流強度是隨著主流偏轉的增大而增大。當偏轉足夠大時(圖3（左）)，渦的最外層可能是來自壓力面上的附面層氣流，它偏折到端面壁上，並一直橫越槽道直到它到達吸力面。

圖2

在低的空氣速度下可用煙氣時，對其他葉型，包括NACA65-(12)10葉片，也觀察到通道渦的形成。在較高的馬赫數下，用硫化氫在白色鉛漆塗層上顯示出的表面跡象，表明橫越槽道的偏移流型保持不變。

應該注意，附面層流動的橫越槽道的分量可以作為“雙層”附面層來看待(圖3（右）)。在壁面處，垂直於主流的附面層流動分量的速度必然等於零，它升高到某一最大值後，於是在主流中又重新下降到零。這個橫越槽道附面層的外層捲起來形成了通道渦。緊靠壁面的“副層”，其渦流強度與外層的渦流強度符號相反，而當這“副層”捲起時產生與通道渦方向相反的旋渦。在這些試驗條件下，由於這副層渦流強度擴散很快，使得這部分附面層渦流強度很快消失。

圖3

通道渦形態和影響

通道渦一旦形成之後，它趨向於保持其方向，而當它向下游前進時並不隨著主流偏轉。圖4表示在前後串列的葉柵中，在上游葉柵中形成的旋渦怎樣在下游葉柵中抗拒偏轉。試驗觀察員可看到通道渦在下游葉柵的壓力面上跳開，並在這碰撞區域內引起氣流分離。這現象曾在減速葉柵中觀察到，同樣也在加速葉柵中觀察到。

圖4

這樣，低能量物質在葉輪機槽道的吸力面附近累積，這就引起氣流擾動和損失，並導致氣流角偏離和後面葉片排中不利的攻角。此外，渦流的作用是：當它流向下游時，使得它所撞擊的葉片表面上的氣流擾動，並在那裡導致附加損失。這種作用可以說明各種因二次流而引起的大部分損失。渦流形態的這種混合影響，同樣也說明與設計方法中所假設的簡化附面層形態的性質有很大的偏差。