涡轮气热弹耦合计算模型与算例

针对涡轮气热弹多场耦合不变量方程,推导了任意曲线坐标系中的多场耦合控制方程,讨论了气热弹多场耦合的4种类型：气热、气弹、热弹和气热弹耦合,给出了相应的计算模型与耦合边界条件,建立了能够采用统一差分格式求解涡轮气热弹多场耦合的三维数值仿真平台的计算模型。并通过对一个具有解析解空心圆筒的热弹性计算和对Mark Ⅱ叶片气热耦合计算,初步验证了应用有限差分计算气热弹多场耦合计算模型的可行性。     

基于非结构网格的涡轮气热耦合数值方法研究

利用课题组自主开发的三维非结构隐式N-S计算软件CU_Turbo,采用气热耦合计算方法,对MarkⅡ内冷径向涡轮导向叶片、带气膜冷却涡轮导叶MT1的流场和温度场进行了数值模拟。计算过程中,隐式时间推进中Jacobi ans矩阵采用对Roe通量的一种近似方法求解。结果表明,计算值与试验值吻合良好,验证了气热耦合计算方法的实用性和有效性,为涡轮工程设计提供了一种新的计算分析方法;涡轮叶片通道内附面层的不同流动状态及气膜冷却,对当地换热都有很大的影响。     

高压内冷涡轮的气热耦合计算(英文)

本文目的在于验证所开发的适用于涡轮气热耦合模拟的计算程序,并研究转捩对气热耦合计算结果影响。首先在流场求解程序HIT-3D中加入考虑转捩影响的q-ω低雷诺数二方程模型以及AGS代数转捩模型模块,然后采用直接耦合方法关联HIT-3D与自主开发的温度场求解程序,使新程序具备气热耦合求解功能。选取MarkⅡ叶片的三个不同试验工况作为验证算例,在计算中考虑管内流动影响,并对流道内流动分别采用了B-L代数模型、q-ω二方程模型以及B-L&AGS模型,而对管内流动则分别采用了B-L模型与B-L&AGS模型。计算表明采用各模型预测的压力分布与试验吻合较好,而在层流转捩区域采用B-L&AGS模型预测的温度分布与实验吻合最好,而在湍流流动区域,各模型预测的温度分布接近。这一方面表明所开发程序具备较准确进行内冷涡轮气热耦合计算的能力,另一方面也证明了考虑转捩影响对提高气热耦合计算精度的重要性。     

涡轮叶片气热耦合数值模拟方法

研究了气热耦合计算模型,建立了采用有限差分方法进行涡轮气热耦合计算的数值仿真平台,并利用该平台采用考虑转捩和不考虑转捩两类湍流模型对具有径向冷却通道的MARK II型叶片进行数值模拟,同时将结果与实验值进行比较,对比表明:考虑转捩的湍流模型能够准确的反映出边界层内的流态和热传导情况,因此壁面处温度和换热系数更接近于实验值,与实验值吻合较好。     

涡轮机械叶片的流固耦合数值计算方法

发展了一种流固弱耦合数值方法来判断涡轮机械叶片气弹稳定性.通过一种数据交换方法将计算结构动力学(CSD)的节点振动位移施加到计算流体力学(CFD)的叶片表面网格点上,CFD分析采用多层动网格技术实时更新可动域的网格点坐标,并通过有限体积法求解了用k-ε湍流模型封闭的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程.以NASA 67转子叶片为例,在设计状态下,对比了叶片前4阶模态下一个振动周期内的气动功及模态气动阻尼比,初步分析了叶片的气弹稳定性.计算结果表明:所发展的流固弱耦合数值方法用于判断涡轮机械叶片气弹稳定性是可行的.      

某型发动机涡轮冷却叶片的流动换热耦合计算研究

在对某型涡扇发动机高压涡轮转子叶片冷却结构分析的基础上，建立了流动换热分析的气热耦合计算模型．采用通用流体力学计算软件完成了高压涡轮转子叶片复杂结构的内外流场和温度场的一体化计算，得到了涡轮叶并流动换热的数值计算结果，对其冷却结构的换热效果进行了分析，并对气热耦合计算在涡轮冷却叶片设计中的应用进行了分析和探讨。     

燃烧室-涡轮耦合流动传热超大涡模拟研究

为了准确预测发动机燃烧室和涡轮耦合复杂气热环境下涡轮部件的流动和换热特性,应用基于BSL k-ω湍流模型的高精度超大涡模拟方法(VLES),以及SST k-ω雷诺平均湍流模型对雷诺数为Re=3.8×105的高压涡轮导叶在均匀进口条件以及燃烧室-涡轮耦合情况进口条件下的涡轮流动和传热进行了数值研究.耦合火焰面生成流型(F...     

航空发动机高温部件系统模拟技术

对航空发动机高温部件系统模拟技术进行研究,在涡轮等高温部件及其冷却系统组成的流固系统研究中采用整体域划分思路,并对两部分组成的整体域统一求解.将该方法在某模型中进行分析验证,应用到某涡轮系统及周围冷却空气模拟中,并对强弱耦合两种耦合模拟方法的结果进行了比较分析.     

涡轮导向器内部流场气-热耦合数值计算

通过对某待定型航空发动机第一级涡轮导向器内部流场采用气-热耦合的数值模拟,研究分析了涡轮导向器内部流场的主要流动特征,给出了叶片表面的温度分布规律,对高性能的涡轮叶片设计有重要的指导意义.     

具有转捩流动特性的高压燃气气冷涡轮叶栅的气热耦合计算

采用CFX商用软件对NASA-MarkⅡ高压燃气涡轮5411工况进行气热耦合计算,着重分析各种湍流模型对转捩流动区域的预测能力,与实验结果比较,k-ω-shear-stress-transport(SST)-Gamma-Theta湍流模型计算结果与实验结果吻合较好.另外,自编耦合计算程序对相同工况进行气热耦合计算,湍流模型采用Baldwin-Lomax(B-L)代数模型,结果说明,除转捩区域外,B-L模型对叶片表面其余位置的计算结果较准确.应用ANSYS商用软件进行热应力分析,结果表明,涡轮叶片温度场求解结果对叶片内部热应力分布具有显著影响.      

气冷涡轮气热耦合数值模拟

应用有限差分方法进行气冷涡轮气热耦合计算,研究了影响气热耦合计算精度的几个因素,包括:流场壁面附近的计算网格、湍流转捩模型以及能量方程中普朗特数的计算等。为了能够应用高精度离散格式,并加快计算速度,采用了气热耦合动力学的微分方程与相应的差分格式,采用了结构化网格。数值计算结果与试验进行对比表明,在流场壁面附近应采用正交性好的网格,并在计算中考虑转捩的影响;而普朗特数的变化对本次计算的影响不大。     

应用Transition k-kl-ω转捩模型对内冷叶片气热耦合的数值模拟

选取NASA-Mark Ⅱ跨声速叶片为算例,研究了Transition k-kl-ω转捩模型在内冷叶片气热耦合计算中的应用,探讨了整场耦合与冷却通道内采用对流换热系数准则耦合的差异。结果表明,该转捩模型相比其它全湍流模型能够更准确预测附面层内的层流和转捩状况;由于Transition k-kl-ω转捩模型转捩前期采用层流动能来描述扰动的发展,避免了使用含有来流湍流度的经验公式,引入了"分裂机制"来描述层流与湍流脉动间的相互作用,并且在旁路转捩和自然转捩源项模化中加入了Tollmien-Schlichting波的影响,对强激波后的温度计算相比常用的间歇因子转捩模型与实验值更吻合;换热系数准则耦合用于冷却通道传热计算,避免了冷却通道边界条件带来的误差,计算结果与实验吻合较好,更易于工程应用。     

考虑转捩的跨声速气冷涡轮叶片气热耦合计算

为了研究转捩对气热耦合计算的影响,在B-L代数模型与SST(shear stress transport)k-ω二方程模型的基础上,增加了两类基于间歇因子的转捩模型:代数AGS(Abu-Gharmam Shaw)模型与一方程间歇因子输运方程.选取NASA-MARKⅡ跨声速叶片为算例,分别采用全湍流模型与加入转捩的模型进行气热耦合计算.数值计算结果与试验对比表明由于能够预测附面层中的转捩过程,采用转捩模型的耦合计算得到的结果与试验吻合最好,由于在叶片壁面附近的网格较粗,采用间歇因子输运方程的转捩模型计算的结果要逊于采用代数转捩模型的结果.      

离心力场下多孔层的不同厚度对热驱动换热的影响

以涡轮叶片新型超级冷却技术的研究为背景,在具有冷却通道的新型冷却结构中加入多孔介质,采用实验与数值模拟相结合的方法研究了不同多孔层厚度条件下,新型冷却结构的热驱动换热规律,实验和计算结果基本一致.研究结果表明不同多孔层厚度条件下,该新型冷却结构具有相同的换热规律:随着旋转速度、热流密度和冷气进口速度的增大,该结构的热驱动换热能力逐渐增强.同时实验研究发现,随着多孔层厚度的增大,热驱动换热效果降低.      

管道网络算法在涡轮内冷叶片换热计算中的应用

基于管道网络算法的概念,开发了适用于内冷通道换热计算的程序,耦合外流场求解程序HIT3D,以Mark II叶片实验工况5411的结果做验证,传热系数和温度的计算值与实验值有着较好的吻合.在此基础上,对某型高压涡轮动叶内冷通道的复杂流路,建立流体网络计算模型.对原型结构吸力面一侧叶顶新增一排气膜孔,并对前部和后部蛇形通道的两组相邻通道间新增连接起平衡作用的贯通孔各3个.改型设计和原型都用开发的管道网络程序计算流动和换热参数.结果显示:在入口冷气边界条件相同条件下,相对原型,改型设计最高温度和平均温度都有10K以上的降低,叶片吸力面局部高温区集中的状况改有所善.改型设计效果在CFX全三维模拟中亦得到证实.      

液体姿控火箭发动机地面试验热结构分析

以液膜冷却结合辐射冷却的液体姿控火箭发动机为研究对象,采用一体化计算模型分析传热,同时应用有限元方法对给定温度条件的热结构进行了耦合分析,最后讨论了推力室在外压作用及温度载荷条件下结构的屈曲稳定性.计算结果与参考的试验结果接近,最高温度误差为3.67%,说明该一体化计算传热模型的有效性.考虑热载荷作用得到的屈曲载荷值较...     

气冷涡轮叶片三维换热问题计算

建立了三维气冷涡轮叶片换热计算的热-流耦合计算模型, 将辐射热量作为源项加入到方程中, 采用热-流耦合方法完成了某气冷涡轮叶片带辐射的三维换热计算.辐射热量的计算采用了P-1辐射模型, 比较了计算辐射和不计辐射时叶片表面的温度值及温度分布的差异.计算表明对于1600 K这样的高温燃气, 辐射热量不可忽略, 考虑辐射热量后, 叶片温度明显升高, 温度分布也产生了显著差异.      

离心力场下多孔介质的不同孔隙率对热驱动换热影响的研究

以涡轮叶片新型超级冷却技术的研究为背景,在具有冷却通道的新型冷却结构中加入多孔介质,采用实验与数值模拟相结合的方法研究了不同孔隙率条件下,新型冷却结构的热驱动换热规律,实验和计算结果基本一致.研究结果表明不同孔隙率条件下,该新型冷却结构具有相同的换热规律:随着旋转速度、热流密度和冷气进口速度的增大,该结构的热驱动换热能力逐渐增强.同时实验研究发现,随着孔隙率的增大,热驱动换热效果降低.     

重力场下细微循环通道内流体热驱动现象研究

本文以试验结合数值模拟的方法,研究了一种利用彻体力场下封闭通道内流体的热驱动循环流动来强化换热的新型冷却方式。由显示实验清楚地拍摄到封闭通道内水的热驱动循环流动,同时通过实验和数值分析研究了水的运动和换热特性,实验和计算结果基本一致。研究表明在本文研究的参数范围内,只有当加热量超过30000W/m2时,流体的热驱动力才能克服阻力影响来驱使流体运动,同时加热端的平均换热系数达到了2500W/m2·K。此换热结构在高密度封装电子器件的冷却设计中将会有良好的运用前景。      

轴向通流旋转盘腔内换热的数值模拟

以数值模拟的方法,采用旋转坐标系稳态方程,研究了轴向通流旋转盘腔内的换热。主要讨论了流动对换热的作用以及旋转系下各力对换热的影响,给出了盘腔内的换热随各无量纲参数的变化规律。研究结果表明:哥氏力的增大削弱了轴向通流旋转盘腔内的换热,惯性力和浮升力的增大增强了换热;反映在无量纲参数上,随着进口雷诺数的提高,盘腔内的换热增强;随着瑞利数的提高(提高转速),盘腔内的换热经历一个缓慢变化-突增-缓慢变化的过程,换热的突然增强是冷气流穿透盘腔所致。