动静干涉对涡轮转子叶片气膜冷却的影响

为研究动静干涉对涡轮转子叶片气膜冷却效果的影响,选取AGTB涡轮叶栅作为研究对象,匹配前排导叶并对整级叶栅进行非定常数值模拟。对不同时刻流场截面的流动情况以及叶片表面温度随时间的演化规律进行了详细的分析,此外,总结了尾迹和势干涉对下游叶片气膜冷却的影响。主要结论如下:导叶强烈的势干涉作用在幅值为12°的范围内改变下游叶片的入射角,对冷却射流有非常大的影响;尾迹和势干涉作用诱导冷却射流的"上扬"现象,并使其冷气流量增加20%以上,有利于提高瞬时的冷却效果;势干涉对前缘冷却射流的作用时间约为1/2个静子周期,尾迹的作用时间约为1/6个静子周期,前者作用时间长,且效果更强。受到输运效果的影响,整个叶片冷却效果的变化与气膜孔射流状态的变化不是同步的,滞后时间可达1/3个静子周期甚至更长。      

轴流压气机内导叶/转子干涉对转子流场的影响

叶轮机械内的转静干涉现象多年来一直是一个研究的热点,然而现有的对于转 静干涉的研究多局限于对流动现象的描述,缺乏理论指导,因此无法在叶轮机械的设计体系 中包含这一非常重要的非定常流动现象,限制了叶轮机械性能的进一步提升.利用流动稳定 性及感受性理论来指导对这一问题的研究,能够找到利用这一现象提升叶轮机性能的规律. 对于一台单级低速轴流压气机内的导叶/转子干涉现象进行了实验研究.利用二维粒子图像 速度仪测量得到了导叶/转子干涉的定量流动细节,及其对于转子流场的影响.结果表明, 转子流场在定常来流条件下也表现出显著的非定常性.在引入导叶/转子干涉之后,转子流 场结构发生显著变化.动叶尾迹强度明显减弱,叶背流动分离得到抑制,叶尖泄漏涡也得到 了周期性的抑制.除了导叶尾迹对动叶流场的干涉作用以及气流角的周期性变化以外,动叶 非定常流动对于不同的导叶/动叶干涉激励频率的不同响应是引起压气机性能变化的主要原 因.      

轴流压气机尾流撞击效应机理的数值模拟

通过精确给定转子进口边界条件,以模拟上游静子尾迹对转子流场的影响,这样利用单排的计算结果模拟转/静干涉引起的非定常流动对流场气动参数的影响,因为相邻叶片排的叶片数不同,从而避免传统方法中常用的叶片数约化存在的难以正确模拟非定常激励频率的问题,对计算时间和计算能力的要求也可减少.针对一个低速转子的数值模拟结果显示,如果能合理地组织来流尾迹的扫过频率和尾迹亏损的幅度,对转子气动性能的改善是很显著的,从而为风扇/压气机中控制和利用非定常流动提供了一个可行的方向.     

激波碰撞干扰流动非定常效应的数值研究

将AUSM+上风格式应用于数值模拟半球绕流激波碰撞干扰的流动中,揭示了该流动在定常来流条件下的非定常本质.分析弓形激波后超音速"喷流"的流动结构及其非定常效应的形成机制,提出一种新的激波碰撞干扰流动的非定常形成机理.      

对旋轴流风机非定常流场数值模拟

利用全隐格式的非稳态压力修正求解方法,分析和研究了对旋叶轮级间流场非定常流动情况,上游尾迹与下游叶片位势作用对流场的影响,并与动态实验结果进行了有益的对比.结果表明:非定常流场的计算更能反映叶轮机实际运行性能,如果能很好地组织对旋叶轮的非定常流动,还可以进一步提高其压比和效率.     

类X-51A飞行器非定常湍流精细模拟

针对类X-51A飞行器在超声速大迎角状态下存在的大范围非定常分离流动,开展了精细化湍流数值模拟研究。计算基于高阶格式下的延迟分离涡模拟方法（DDES）,来流马赫数为2.5,迎角为10°。分析了该复杂流场中存在的分离流动现象、分离流动诱导的气动特性变化规律以及压力脉动特点;其中重点研究了壁面压力脉动强度分布情况和监测点压力脉动频谱特性。分析结果表明:飞行器大迎角飞行时从侧缘诱导出明显的分离涡,并对尾部舵面产生干扰;受干扰尾舵表现出明显的非线性及非定常气动特性;分离涡的存在导致飞行器尾舵前缘等位置的壁面压力脉动显著增强,200~300 Hz的低频高幅值脉动可能会导致结构破坏。      

大攻角状态压气机分离流及叶片动力响应特性

为研究大攻角状态压气机转子内部分离区的脱落和传播过程及转子叶片对其动力响应问题,对某跨声速压气机级进行了非定常数值模拟和双向迭代流固耦合数值模拟。研究结果表明,在近失速状态,转子叶片通道内会周期性地发生2次叶背分离区的脱落和传播现象。第1个分离区主要表现出轴向传播特性,其会对下游流场产生影响;第2个分离区主要表现出周向传播特性,其会作用于周向相邻的转子叶片,对转子叶排自身产生激励作用,进而影响叶片表面压力分布,引起叶片较强的动力响应,对叶片结构强度的影响不可忽略。非定常/流固耦合计算手段能够较全面地预测流场中激励源的频率、幅值与位置等,在压气机设计阶段应对此类预测工作予以重视,以期更准确地预测叶片共振及动力响应等问题。     

弹性整流罩分离的流固耦合仿真方法

发展了一种流固耦合的动力学数值仿真方法,用以模拟弹性结构在其运动诱导的非定常气动载荷作用下的动态响应.针对给定的运动规律,对不可压流场采用侵入式边界方法求解了非定常气动载荷,其中未计及弹性结构变形对流场的影响.对非定常气动载荷作用下的薄壁弹性结构进行了瞬态动力学数值模拟.以地面试验状态的整流罩分离为例,对刚性体及是否考虑表面气体压力作用的柔性体等情形下的整流罩的动力学行为进行了对比分析,验证了发展的流固耦合动力学仿真方法的可行性.     

浮空气囊定常及非定常气动特性计算

对于0~20 km范围内不同外形的浮空气囊,采用虚拟压缩方法求解不可压缩非定常N-S(Navier-Stokes)方程,数值模拟了5个高度下气囊的定常和非定常流场.定常状态时,随高度及气囊外形的变化,模拟了气囊气动力及背风区复杂流动分离.结果表明,当气囊厚度率逐渐增大时,其背风区存在复杂的空间流动分离.运用双时间步方法及动网格技术,成功实现了气囊平移或俯仰运动状态下非定常流场的数值模拟.考察了不同的平移方向及速度对气囊非定常气动特性的影响,得到了气囊平移过程中气动力及流场的变化情况.对于气囊的俯仰运动,获得了不同俯仰速度及不同最大俯仰角时气囊的气动力及流场.计算结果表明气囊的非定常运动对其流场和气动力影响显著.     

旋转光滑U形通道内流动和换热的数值模拟

数值模拟了旋转状态下涡轮叶片U形内冷通道湍流流场和温度场的分布,分析了流阻和换热的变化规律.结果表明,旋转状态下哥氏力、离心力和浮升力的共同作用使得流场发生了复杂的变化.旋转强化了换热,减小了流阻.但旋转使得换热在各个面换热能力分布不均,增加了温度梯度.      

等重量空心盘冷气布置方案

采用数值方法研究了双辐板涡轮盘(即空心涡轮盘)腔内的流动和换热结构.在空心涡轮盘与实心涡轮盘重量一定的前提下,按照转静腔和旋转腔冷气进气位置不同,提出几种组合进气方式的空心涡轮盘冷却结构,即:中心进气转静腔+中心进气旋转腔、中心进气转静腔+高位进气旋转腔、高位进气转静腔+中心进气旋转腔以及高位进气转静腔+高位进气旋转腔.计算结果表明:中心进气转静腔+高位进气旋转腔结构、高位进气转静腔+高位进气旋转腔结构与等重量实心盘及其它空心盘结构相比具有较好的换热效果,同工况下涡轮盘体积平均温度和最大径向温差在空心盘各结构中较低,但阻力损失较大.     

气冷涡轮导叶流热耦合计算及机理

针对气冷涡轮叶片的多场耦合特性,利用流热耦合（CHT）方法,对采用不同气冷结构的高压涡轮导叶进行数值模拟。在内冷涡轮导叶算例中,对比实验数据选取精度较高的流热耦合计算方案,分析该内冷涡轮导叶的多场特性及耦合机理。在此基础上,以带有气膜冷却孔及内冷通道的气冷涡轮导叶为研究对象,重点围绕冷却射流与主流的相互作用,讨论近壁边界层中流热耦合关系及气冷效率影响因素等相关问题。结果表明:采用流热耦合计算方法及合适的湍流转捩模型有利于提高数值精度;气冷涡轮导叶的流场温度场密切耦合,流动换热特性互相影响;冷气射速低时,增加冷气流量可提高气膜冷却效率,冷气量达到一定值时,冷气流量增加将导致气膜冷却孔后上游冷却效果变差,下游冷却效果变好;冷气射速较高时,将与主流相互作用产生复杂流动结构（如肾形涡、马蹄涡等）,对温度分布存在一定影响。      

中心进气复杂旋转盘压力特性的实验研究

中心进气具有两个出口的旋转盘系统中静盘表面沿半径方向的静压分布由实验方法获得.针对转速、冷却气体流量以及叶片冷却孔的存在与否对腔内流动特性的影响进行了分析.结果表明:在本实验范围内,静盘表面静压沿半径方向先减小,后增大.静盘表面静压随着总流量的增加而增加,随转速增加而降低.当减少盘面出流孔的数量时,静盘表面静压将会增加.当冷却气体流量较大时,盘腔内不能形成明显的旋转核心.     

涡轮叶片微小通道气膜新型复合冷却结构设计

利用数值模拟的方法,研究了一种应用于涡轮导向器叶片的微小通道气膜新型复合冷却结构.重点是对微小通道和气膜孔的新型复合冷却方法进行结构设计并进行结构优化,探讨不同的冷却结构形式对流动和换热的影响.研究表明:不同的复合冷却结构对冷却效率和压力损失的影响不同;在所设计的几种复合结构中,分枝小通道结构在平衡冷却效率和压力损失方面有着较好的效果;所计算的几种复合结构的结果都显示,微小通道气膜新型复合冷却结构的冷却效率高于铸冷叶片的冷却效率,冷却效果好,具有巨大的应用前景.     

旋转状态下温度比对气膜与主流掺混区域的影响

为了研究在旋转状态下温度比对气膜与主流掺混区域的影响,采用了数值模拟的方法对此进行了分析.结果表明:与静止状态相比,气膜出流在旋转状态下会发生偏转.当温度比固定,随着转速的增加,吸力面上气膜覆盖区域向高旋转半径方向偏转;但在压力面上,覆盖区域向低旋转半径方向偏转.在旋转速度固定时,随着冷却气膜和燃气温度比的增加,气膜覆盖区域向高旋转半径方向偏转.旋转同时会降低气膜冷却效率,而温度比对此的影响却很小.      

不对称静子尾迹流场激振力分析及计算方法

为降低转子叶片在前排静子尾迹流场激振情况下的动应力,提高转子叶片疲劳寿命,对不对称静子叶片分布进行流场分析,研究在不对称静子分布非谐情况下,转子所受到的尾迹流场的激振力频谱及幅值.研究表明不对称静子分布非谐设计下,转子所受到的激振力由静子均布情况下的单频率高幅值激振转变为多频率成分低幅值激振力,通过对各个频率成分幅值的计算分析,得到了不对称静子分布非谐设计可有效降低转子叶片受到的尾流激振力,提高疲劳寿命的结论.同时,对不对称静子分布的三维流场计算,提出了简化计算方法,可大大降低计算时间和对计算机硬件要求.      

高位垂直进气旋转盘非稳态换热的实验研究

用实验的方法对高位垂直进气的转静系旋转盘在非稳态情况下的流动与换热特性进行了研究,主要研究了冷气流量系数和旋转雷诺数的变化对盘面温度和平均努塞尔数的影响.结果发现:冷气流量的改变对盘面的换热影响非常明显,盘面各点温度随时间的变化率是相同的;旋转雷诺数增加使盘面平均努塞尔数增大,旋转雷诺数变化的方式导致盘缘区域温度随时间的变化率与中心区域的不同.      

旋转状态下曲率对气膜与主流掺混区域的影响

气膜冷却是应用于航空燃气轮机上的冷却技术,旋转及表面曲率是影响气膜与 主流掺混区域的重要因素,通过数值计算方法对旋转状态下曲率对气膜与主流掺混区域的影 响进行了研究,湍流模型选取了k-ω模型.增加旋转速度,会引起吸力面气膜的分离; 固定转速,降低表面曲率半径,压力面气膜发生分离,吸力面气膜冷却效果得到改善.当动 量流量比在小于1的范围内变化时,旋转只改变压力面气膜与主流掺混区域的分布,而对吸 力面没有影响.      

30°预旋进气旋转盘流动与换热特性的实验

用实验的方法对具有30°预旋进气的旋转盘附近冷气流动与换热特性进行了研究,得到了静 盘表面压力、转盘表面温度、局部努赛尔特数的分布及平均努赛尔特数的变化.结果显示静 止盘罩表面的压力随着半径的增加而增加,随转速的增加而增加.转盘表面的局部努赛尔特 数在r＜0.7R的区域基本不变, r＞0.7R的区域里, 局部努赛尔特数随r的增加而增大.该预旋 角情况下,进气雷诺数对盘面平均努赛尔特数的影响大于旋转雷诺数.