气膜冷却流场的实验研究和数值模拟的分析

用Ｘ型双丝热线探头对扇形气膜孔射流下游流场的测量结果表明,湍流因射流的注入而显著增强,并存在十分明显的各向非同性。传统的应力和速度梯度的涡粘关系仍然适用于气膜冷却流场,但应该在不同的方向上分别对湍流粘性系数进行修正。标准ｋ－ε湍流模型可成功地模拟孔内流动和流向倾角α较小时的掺混气膜冷却流场,但在α较大时的孔中线附近区域内的流场模拟是不成功的,并导致冷却效率的模拟失败。     

层板冷却结构流阻特性的实验与数值模拟

在吸气式风洞上对两种不同内部流动结构的单层多孔层板进行了流阻实验,采用沿程阻力关系式得出了其流阻特性。应用软件FLUENT,采用隐式有限体积法求解Navier—Stokes雷诺时均湍流方程,对层板冷却结构的内部流动进行了数值模拟,湍流模型采用Realizable κ-ε双方程模型,近壁处湍流利用壁面函数法处理,采用SIM—PLE算法求解速度与压力的耦合。计算表明,层板内部流场结构十分复杂,射流冲击后在扰流柱前反卷形成驻涡。层板结构内部存在流速很低的区域。计算得出的流阻特性与实验结果进行了比较,两者符合较好。     

涡轮叶片内部冷却结构流动换热特性的数值研究

为了在限制冷气消耗量的情况下,提高涡轮叶片综合冷却性能,在叶片冲击冷却的靶面引入了不同的肋、凸起和凹坑,采用耦合传热进行了叶片真实工况下的数值模拟,从不同方面分析了内部结构改变对内部换热性能、冲击孔和气膜孔流量系数的影响,最终得到了受内外换热性能制约的叶片整体冷却性能,总结了叶片优化思路,可供指导叶片设计。本文得到了以下结论：冷却结构的引入可以阻碍横流的发展,增加冲击孔的流量系数,增强流场的扰动,从而强化内部换热,但会减小气膜孔的流量系数,恶化外部气膜冷却。内部换热的增强作用和外部气膜冷却削弱的综合作用使得叶片外壁温降低。通过比较,肋的作用强于凸起/凹坑,在肋间布置凸起/凹坑有利于进一步强化换热,扰流直肋+凹坑结构在冷气消耗量降低1.19~1.81%的情况下,综合冷却效率提高了1.96~4.09%,是最优结构。     

后台阶三维缝隙气膜冷却的非稳态数值模拟

为了进一步深入了解涡轮叶片尾缘冷却结构的气体流动情况及冷却特性,在原有稳态计算模型的基础上建立了非稳态的计算模型,研究了不同吹风比下(0.5,2.0)的出口壁面冷却效率的分布情况。计算结果表明:(1)非稳态效应使得出口下游的湍流度增大,非稳态时均冷却效率的计算结果比稳态的要低一些。(2)吹风比为2.0时,二次流对出口附近流动起决定作用,并且冷气的横向掺混充分,主流二次流的上下掺混缓慢;吹风比为0.5时,主流与二次流的上下掺混剧烈,非稳态的计算结果在出口肋后附近的冷却效率比稳态结果有所提高。(3)非稳态的计算结果比稳态的计算结果更接近实验结果。     

涡轮叶片尾缘冷却特性数值研究

为了研究不同叶片尾缘结构对气膜冷却效果的影响规律,设计了三种尾缘结构,采用数值模拟的方法分别对其冷却效果进行了研究。研究结果表明:(1)三种尾缘结构的冷却效率沿壁面的分布有很大差异,针对模型Ⅰ,在小吹风比时,冷却效率沿尾缘壁面逐渐减小;而在大吹风比时,冷却效率呈现逐渐升高的趋势;(2)模型Ⅱ和模型Ⅲ的冷却效率沿壁面均呈现逐渐降低的趋势,但二者降低的规律又不相同;(3)在相同壁面位置,模型Ⅲ的冷却效率最高,模型Ⅰ的冷却效率最低,因此可以认为,模型Ⅲ所示的尾缘结构更有利于叶片尾缘的冷却。     

典型层板冷却结构热疲劳破坏特性研究

针对三种不同形式的典型层板冷却结构,设计加工了高温合金材料试验件.模拟涡轮冷却叶片在实际发动机中的高温工作环境,通过冷热循环加载方式试验研究每种层板冷却结构的热疲劳寿命,分析其破坏部位及破坏原因,并与数值计算结果进行了对比.结果表明:层板冷却结构热疲劳裂纹出现在排气板气膜孔附近,并沿气膜孔纵向扩展,内表面扩展程度大于外表面.在三种层板冷却结构中,211型层板冷却结构热疲劳寿命最低,161型和141型层板冷却结构热疲劳寿命相当.     

双出口孔射流气膜冷却换热特性数值模拟

为了优化气膜冷却结构,通过数值模拟研究了一种新型气膜孔(由两个圆柱孔组成的双出口孔)的气膜冷却换热特性。利用Fluent软件对N-S方程进行求解,湍流模型采用两方程realizable k-ε 模型和增强壁面函数处理。重点研究了吹风比对气膜冷却换热系数、换热系数比和热流比的影响。结果表明,换热系数随吹风比增大而增大,随x/d增大而减小,气膜孔附近尤其明显。吹风比0.5和1.0时,换热系数比随x/d增大而减小;吹风比1.5和2.0时,换热系数比随x/d增大先减小后增大。在研究的吹风比范围,双出口孔射流气膜冷却起到了削减从燃气传入叶片热流的作用。吹风比从0.5增大到1.0,热流比减小;吹风比从1.0增大到2.0,热流比增大。热流比随x/d增大而增大,气膜冷却的冷却效果减小。     

双出口气膜孔冷却效率数值模拟

为了优化气膜冷却结构,通过数值模拟研究了一种新型气膜孔(由两个圆柱孔组成的双出口孔)的气膜冷却特性.利用Fluent软件对Navier-Stokes方程进行求解,湍流模型采用两方程Realizablek-ε模型和增强壁面函数处理.圆柱孔射流的冷却效率计算结果和实验数据吻合较好.双出口孔射流冷却效率计算结果表明,双出口孔射流有效地增加了冷气的径向覆盖范围,在吹风比为0.5时,次孔射流起到了减弱主孔出口对旋涡的作用;在吹风比为1.0和2.0时,次孔射流使主孔出口处的对旋涡消失.最高冷却效率对应的吹风比为1.0.双出口孔射流在提高冷却效率的同时,其加工难度较扩张形孔明显降低.      

冲击孔对层板冷却叶片前缘传热影响的数值研究

根据典型涡轮导向叶片型面和边界条件,对简化的层板冷却叶片前缘的流动和传热特性进行数值研究.考察了两种冲击孔与气膜孔和扰流柱的孔阵排布方式、两种冲击孔轴线与靶面的夹角设置方式对叶片前缘换热的影响,计算中采用re-normalization group(RNG)k-ε湍流模型.结果表明:在气膜孔、扰流柱排布一定的条件下,不同冲击孔的模型的冷却流量相差不到1%.冲击孔数目越多和孔径越小的模型的靶面表面传热系数越高;叶片前缘表面的冷却效率越高,提高约2%.在同一种冲击孔孔阵排布方式下,冲击孔轴线和靶面的夹角对流阻和叶片前缘的换热影响不大.      

气膜叶片前缘内冲击冷却的共轭传热计算

导出一协变速度动量方程的数学表达式,为避免曲率源项或各附加力项的存在,该协变速度周围邻域内皆取与之平行的速度分量。采用ＳＩＭＰＬＥＲ算法对带有气膜出流的内冲击复合冷却叶片进行了共轭传热计算,揭示了其流动的特征,给出了叶片内外表面的温度分布。     

平面叶栅中冷气射流三维分离的数值模拟

为了研究冷气射流对平面叶栅气动特性的影响 ,采用三阶精度Godunov格式和B L湍流模型求解三维N S方程 ,对冷气孔处于气冷涡轮叶栅的轴向位置为 5mm ,10mm ,4 3mm和 5 0mm ,喷射角度分别为 3 0°,60°,90° ,12 0°条件下进行了 16组方案计算。结果表明 ,叶片前缘冷气孔角度对流场底影响较小。越接近叶片尾缘 ,冷气孔角度对流场的影响越明显     

计算涡轮叶片尾缘对开缝喷气的数值方法

为探讨涡轮叶片尾缘对开缝喷气对叶栅性能的影响,发展了可与主流场求解有机耦合,且能准确反应射流与主流相互干扰过程的喷气模型,结合涡轮叶片流场数值模拟,得到了不同喷气量下涡轮叶栅性能参数,计算与实验结果有较好的一致性,表明所采用的喷气模型能够较准确地模拟射流与主流的掺混过程,预测掺混效应。     

用气膜冷却来防止热斑引起的涡轮叶片过热

为了防止燃烧室出口热斑引起涡轮叶片过热,通过求解二维非定常N-S方程研究了热斑对高压涡轮一级叶片型面压力和温度的非定常影响,并对气膜冷却这种热防护方法进行了尝试。计算结果与公开发表的实验数据基本吻合。结果显示热斑的存在对涡轮级型面压力影响微小,但是会导致动叶型面特别是压力面的温度显著升高并随时间大幅波动。在动叶压力面鳃区引入气膜冷却对型面压力和热斑在涡轮级内的运动影响不大,但可以有效地阻隔高温热斑与压力面的直接接触,并显著降低壁温和减小温度随时问波动的幅度。     

有弦向出流的短扰流柱排流动与换热数值计算

为了得到有弦向出流的通道内扰流柱排的流动换热的规律,对有弦向出流的扰流柱排的端壁换热和压力损失进行了数值计算,重点研究了出流比对端壁换热和压力损失的影响。结果表明：(1)随着弦向出流比增加,端壁平均№数逐渐下降,在所研究的Re数范围内,出流比从0变化到1,Nu数最大下降6％。(2)压力损失系数随着Re数的增加而减小,随着弦向出流比的增加而减小。在所研究的Re数范围内,出流比从0变化到0.75,压力损失系数下降70％～85％。计算结果对涡轮叶片内部冷却计算具有重要的参考价值。     

涡轮叶片内部微小V肋-凹陷涡复合冷却流动与传热数值模拟

为强化航空发动机涡轮叶片内冷通道传热性能,针对带有微小V肋-凹陷涡高效复合冷却结构矩形通道,采用Abe Kondoh Nagano （AKN） k-ε湍流模型数值模拟研究了肋高与凹陷深度组合对流动传热特性的影响机理。结果表明,当凹陷深度一定,复合结构的强化换热效果随肋高增加而增加,3mm肋高复合结构的传热相比纯凹陷提高了87.1%;当肋高一定,传热随凹陷深度增加先增强后基本保持不变,6mm深凹陷复合结构相比纯V肋提高了52.8%。通过在凹陷上游布置V肋,增强了越过V肋冲入凹陷内流体的湍动能,从而使凹陷前部回流区减小;同时来自微小V肋的涡流与凹陷内部的涡流相互作用,增强了整个流场的动量和热量输运,使通道换热均匀,并相较纯凹陷或纯V肋结构均有显著提升。     

旋转对内冷通道气膜孔流量系数的影响

为了获得涡轮叶片旋转时对气膜孔流量系数的影响,采用非结构化网格及标准k-ε紊流模型,求解三维N-S方程,对带90°肋和气膜孔出流的旋转矩形通道内的三维流场进行了数值模拟,气动参数变化范围是:通道入口雷诺数Re=60000,150000,罗斯贝数Ro=0,0.11,0.22,气膜孔总出流比为0.22和0.09。Ro≠0时,旋转效应对气膜孔流量系数有明显影响,通道顺时针旋转时,科氏力由上壁面指向带气膜孔的下壁面,引起流量系数增加;通道逆时针旋转时,情况相反。计算结果还表明,在通道内同一径向位置处的两个气膜孔的流量系数是不同的,通道顺时针旋转时,进入左侧孔的流体和气膜孔轴线的夹角小于进入右侧孔的流体和气膜孔轴线的夹角,导致左侧孔的流量系数大于右侧孔的流量系数;通道逆时针旋转时,情况相反。Ro=0时的计算结果与实验数据符合很好。     

非定常尾迹对涡轮叶片换热影响的数值模拟

通过引入非定常尾迹诱导过渡的时间平均间歇因子的概念,提出常规过渡的起始点位置和尾迹诱导过渡起始点位置的算法,实现了对非定常尾迹影响下涡轮叶片上时间平均换热的数值模拟。结果显示,无论在叶片吸力面还是压力面,计算与实验符合均很好。     

计算涡轮叶片结构可靠度的自适应重要抽样法

为直接准确地计算系统结构可靠度,提出了自适应重要抽样方法,由极限状态面失效区确定的最初抽样区开始,用与随机变量联合概率密度函数成比例的抽样密度,自适应递增调整抽样,使抽样区稍大于失效区,以减少安全区的追加抽样,提高抽样效率,并将其应用于航空发动机涡轮叶片的结构可靠性分析,在获得相同的准确计算结果时,所需计算量显著减少。