轴流压缩机叶栅内粒子沉积及性能下降计算中沉积模型的影响

针对轴流压缩机叶栅内固体微粒沉积的问题,采用计算流体动力学（CFD）软件对压缩机叶栅内的气固两相流动进行了模拟。文中首先采用简单粘附模型对轴流压缩机叶栅内粒子的沉积进行了计算;在此基础上,通过引入临界速度和临界角度的概念,采用用户定义子程序发展了一种新的粒子沉积模型,简称为部分沉积模型。并将采用部分沉积模型和简单沉积模型计算得到的粒子沉积结果进行了对比,结果表明部分沉积模型得到的粒子沉积更合理。在此基础上,采用部分沉积模型预测了轴流压缩机叶栅总压损失系数随运行时间的变化和500小时后叶片壁面的压力系数分布情况。     

超声叶栅前缘处的脱体激波预测

为了准确预测超声叶栅前缘处的脱体激波,以Moeckel法为基础,通过分析和公式推导,构造叶栅前缘处的脱体激波模型.首先对Moeckel法进行改进,提高均匀来流条件下的对称脱体激波逼近精度;然后再将Moeckel法推广到均匀来流条件下的非对称脱体激波逼近;最后结合超声叶栅流动特征,给出叶栅前缘处的脱体激波模型.将所得模型用于3个超声叶栅,预测叶栅前缘处的脱体激波形状和位置,并将预测结果与CFD软件求解结果进行比较.结果表明:在均匀来流条件下,改进后的Moeckel法能更准确地逼近对称脱体激波,并可用于逼近非对称脱体激波;由超声叶栅脱体激波模型确定的脱体激波形状和位置与CFD求解结果一致性很好.      

舰船燃气轮机高压涡轮颗粒沉积特性研究

为了探究典型舰船燃气轮机高压涡轮叶栅通道内部的颗粒沉积分布规律,论文以分析随燃气进入涡轮叶栅通道内的颗粒的动力学及颗粒与壁面相互作用的特性为出发点,探究颗粒与涡轮叶片表面撞击后发生黏附与剥离以及沉积与反弹的相互作用准则,在此基础上构建相应的颗粒壁面沉积模型,采用数值模拟方法,建立气-固两相流无量纲方程组,嵌入UDF用户自定义函数,并比较分析临界速度模型和临界黏度模型对于模拟颗粒沉积分布的异同。结果表明,在本文工况条件下,对于临界速度模型而言,叶片表面和下端壁处的颗粒沉积效率都在动量Stokes数增大到约0.1时开始从100%减小,在动量Stokes数增加到约10后减小到0;上端壁处的颗粒沉积效率在动量Stokes数增加到约1时开始从100%减小,在动量Stokes数增大到约100后减小到0。而对于临界黏度模型而言,叶片表面和下端壁处的颗粒沉积效率随着动量Stokes数的增大而不断增大,二者都在动量Stokes数约为1时达到100%,而上端壁处的沉积效率却先增大后减小,最后再增大,在动量Stokes数约为0.1颗粒沉积效率降低到最小值约为80%,后开始增加到100%。     

平面叶栅内固体粒子运动特性的研究

在利用高速摄影技术获得固体粒子在平面叶栅内运动特性的基础上, 采用Lagrangian轨迹法分别在考虑与不考虑边界层影响的情况下, 计算了固体粒子在叶栅内的运动轨迹和速度。通过与实验结果的比较发现:在利用Lagrangian法计算固体粒子的运动特性时, 对于尺寸比较大的粒子可以不考虑边界层的影响, 而对于尺寸比较小的粒子则需考虑边界层的影响。      

超声速来流基元叶型前缘加工误差气动敏感性分析

为研究叶型前缘加工误差对叶栅气动性能敏感性,以NASA Rotor 67转子70%叶高截面基元级叶型为研究对象,选择Clamped型非均匀B样条曲线实现叶型前缘数学描述。采用单因素法建立叶型前缘加工误差模型,提炼出叶片弦长误差、前缘轮廓度误差、几何进气角误差三个误差模型;随后结合L9(34)正交实验及数值模拟方法研究超声速来流条件下三维直列叶栅不同前缘误差类型对叶栅气动性能的敏感性。正交实验极差分析及显著性分析均表明:前缘轮廓度误差FP是影响叶栅气动性能的主要影响因素(75%以上可能性),叶栅性能随前缘轮廓度增加呈现恶化趋势,即叶型前缘越厚,叶栅总压损失越大,扩压能力越小。进一步分析轮廓度误差对叶栅性能影响机制得出:激波损失是叶栅性能随轮廓度误差加大而恶化的重要原因。     

前缘复合改型在压气机平面叶栅中的应用初探

为了探究同时应用不同前缘改型对压气机叶栅的影响,以DMU37动叶5%叶高处叶型的平面叶栅为原型,采用数值计算方法,探究4种椭圆形前缘改型及4种椭圆鼓包复合改型对叶栅流场及性能的影响,考虑的主要影响参数分别为椭圆长短轴比和鼓包波幅。结果表明:-6°～+4°冲角时,椭圆形前缘方案可不同程度地降低前缘吸力峰及总压损失系数,特别在正冲角条件时改善效果更好;长短轴之比为4的椭圆形前缘方案综合性能最好,主流区吸力峰高度降低56.3%,+4°冲角时,总压损失系数和可比原型叶栅降低5.8%;0°冲角下,椭圆鼓包复合改型的损失相比原型叶栅均有所增大;+4°冲角时,各椭圆鼓包复合改型方案均能有效降低损失,总压损失系数最多可比原型叶栅降低7.5%,表明椭圆鼓包复合改型在+4°冲角时可以提高叶栅气动性能。     

超声速叶型前缘几何形状对叶栅气动性能的影响

应用NURBS技术构造超声速叶型,采用两个控制参数调整叶栅前缘椭圆弧的几何形状,来探索不同的前缘构型对超声速叶型气动性能的影响效应;通过对比分析调整每个参数所得的一系列叶栅的流场计算结果,发现椭圆弧的形状控制因子对超声速叶栅的前缘激波和气流流动状况具有一定的改善效果,同时在保证叶栅气动弦长基本不变的情况下,存在某个椭圆弧形状控制因子和方向控制因子的匹配能够使叶栅的气动性能达到最佳.     

高压涡轮气冷叶片冷却掺混损失数值研究

为探索高压涡轮气冷叶片多排冷却孔出流对各排孔冷却掺混损失的影响,采用三维粘性流场数值模拟技术,对典型气冷叶片多排孔冷却射流流场和叶栅性能进行了研究,并将冷却掺混损失数值计算结果与Hartsel模型预测值进行了对比。研究结果表明:气冷叶片表面多排冷却孔射流相互作用对各排冷却射流与主流掺混引入的流动损失影响较小,各排射流冷却掺混损失相互独立具有简单的可叠加性质;叶片表面各区域冷却射流出流对叶栅性能影响程度有所不同,尾缘劈缝与吸力面冷却射流对叶栅性能影响较大,前缘区域次之,压力面冷却射流对叶栅性能影响较小;和数值计算结果相比,总压损失系数Hartsel冷却掺混损失模型预测值偏高,尤其对于尾缘和吸力面主流马赫数较大的区域,损失模型预测值为计算结果的2~4倍,而前缘和压力面预测值和计算结果符合性较好。     

尾缘冷气喷射对超声涡轮叶栅性能的影响

采用试验与数值模拟相结合的方法,研究了某超声速涡轮导向叶栅尾缘冷气喷射对叶栅流场结构的影响。数值模拟时,使用环形叶栅模型近似模拟平面叶栅内的流动。研究结果表明:数值模拟结果与试验结果吻合较好;尾缘冷气喷射可减少主气流在尾缘停滞区的能量耗损,削弱叶栅尾缘处的内边缘激波,叶栅气动效率随冷气量的增加先增大后减小;尾缘冷气喷射对叶栅出口附近气流角的周向分布有影响,但对质量平均的叶栅出口气流角基本无影响。     

不同来流条件对涡轮叶片表面颗粒沉积影响的实验研究

为了研究微颗粒在涡轮叶片表面的沉积特性，采用熔融态石蜡代替熔融态微颗粒，通过石蜡在平板表面的沉积来模拟真实涡轮叶片表面的微颗粒沉积，从而开展较低温度条件下微颗粒的沉积实验。通过实验观察石蜡在试验件表面附着固化分布，同时测量石蜡在平板表面不同位置的沉积量，研究了不同来流攻角、颗粒浓度对平板表面颗粒物沉积的影响规律，分析了等效加速实验的颗粒物沉积效果。结果表明：颗粒物沉积主要发生在平板前缘及压力面的中后部，前缘的颗粒沉积物质量远大于压力面和吸力面的。随着攻角的增大，压力面和吸力面沉积量显著增大，前缘变化不明显；随着来流颗粒浓度的增加，前缘和压力面的沉积量增加；对于已有等效加速实验准则，保持总粒子喷射质量相同，在颗粒浓度升高，实验时间变短的情况下，平板前缘位置的沉积量增大。     

气膜冷却射流对叶片微细颗粒沉积影响

针对微细颗粒在涡轮叶片表面的沉积问题,采用EI-Batsh沉积模型对涡轮叶片表面微细颗粒沉积情况进行数值仿真,探究压力面冷却射流对颗粒沉积特性的影响.研究表明:沉积主要发生于叶片前缘与压力面,且沉积率随着粒径的增大不断增大,但粒径增大到17 μm后沉积率增加幅度开始变小.存在冷却射流时,射流可以通过吹离和卷吸作用影响小...     

涡轮叶栅通道内颗粒物沉积过程的数值模拟

为了更加准确获得颗粒物在涡轮中的沉积分布,以某涡轮叶片为模型,选用最接近航空发动机内部颗粒组成的Jim Bridger Power Station(JBPS)颗粒为污染物,同时,利用C++编写合适的User Defined Function(UDF)经过调试来分析颗粒沉积后叶片边界的复杂变形和边界网格依赖于时间变化的重构生成,在考虑每个时间步长颗粒沉积在叶片上从而改变叶片几何特性和换热特性的情况下,来深入研究颗粒物沉积在叶片的整个过程,最终得出了沉积的分布情况,并且通过数值研究结果与实验结果的对比,验证了网格重构与融合程序的合理性、准确性。根据叶片变形情况预测腐蚀的发生情况。随后,改变主流温度、颗粒直径来研究颗粒沉积特性。结果表明:颗粒主要沉积在叶片压力面中部,但会使得叶片前缘和压力面中部均产生明显变形;叶片前缘由于颗粒沉积使得粗糙度增加形成锯齿形,最先遭受腐蚀;颗粒直径影响颗粒沉积的分布与沉积生长速度;只影响沉积速度,并不改变沉积分布。     

Particle deposition patterns on high-pressure turbine vanes with aggressive inlet swirl

Characteristics of particle migration and deposition were numerically investigated in presence of aggressive swirl at the turbine inlet. The isolated effects of the inlet swirl were considered in detail by shifting the circumferential position of the swirl and by implementing positive and negative swirling directions. Particles were released from the turbine inlet and the resulting deposition on the vanes was determined by using the critical velocity model in a range of particle diameters from 1...     

面向自适应加工的精锻叶片前后缘模型重构

针对精锻叶片前后缘数控加工在加工边界出现"台阶"等问题,提出面向自适应加工的模型重构方法。首先,根据精锻叶片的特点给出前后缘加工工艺方案。其次,根据工艺方案建立在机测量模型并进行路径规划。在此基础上,依据前后缘实际几何型面参数以及理论模型各截面前后缘圆弧圆心和半径允差,提出重构模型圆弧圆心及半径搜索算法;根据各截面的测量点拟合线、理论截面线以及搜索的圆弧圆心和半径,建立重构前后缘模型。最后,通过对比重构模型与理论模型的偏差以及数控加工试验证明该方法能够有效地减小锻造叶片叶身实际型面与前后缘在衔接处的"台阶"缺陷问题,为复合制造工艺背景下精锻叶片前后缘加工成型提供依据。     

某型飞机平尾前缘抗鸟撞优化设计

进行了某型飞机部分平尾前缘结构的抗鸟撞优化设计。通过有限元分析对比研究了蒙皮厚度、翼肋个数、隔板对平尾前缘抗鸟撞性能的影响。从分析结果可以看出,增加隔板的方案对结构抗鸟撞性能的提高最明显。然后,进行了增加隔板的平尾前缘结构鸟撞试验,试验结果与模拟结果吻合良好,满足结构的抗鸟撞要求。     

前后翼型装药结构SRM气固两相流动特性

基于可压缩流动强守恒型Navier-Stokes方程,运用颗粒轨道模型(PTM)和shear stress transfer(SST)k-ω湍流模型,采用计算单元内颗粒源法(PSIC)进行气固两相耦合计算,建立了某型前后翼型装药结构固体火箭发动机(SRM)工作初期的三维两相内流场数值计算模型.对比分析了纯气相和气固两相...     

基于曲率分布控制的叶型前缘设计方法

为了实现对压气机叶片的优化,提出了一种基于曲率分布控制的前缘造型方法,实现了对叶型前缘曲率的直接、精确控制。将该造型方法应用于某工业级压气机的可控扩散叶型（CDA）上,通过数值仿真方法计算了叶型在设计来流马赫数下的全攻角工况性能。结果显示增加前缘曲率能有效拓宽许用攻角范围,减小尖峰扩散因子,在相同攻角下能削弱前缘吸力峰,抑制甚至消除前缘分离泡,避免提前转捩的发生。同时,调整曲率分布使其在靠近前缘点处尽可能"饱满"、减缓曲率下降速度,也有同样的效果。理论分析发现前缘曲率通过调整静压分布影响边界层发展起始流态,从而影响叶型性能。设计前缘几何形状时需要确保曲率连续性,调整曲率分布以减小前缘吸力峰的强度,避免分离诱导转捩的出现。     

铝镁贫氧推进剂固冲发动机沉积数值模拟

基于随机轨道模型和Mundo沉积模型,对固冲发动机三维两相流场进行了数值模拟,讨论了不同进气道进气角度、燃气发生器出口构型以及颗粒相入口边界处粒子粒径分布、燃烧生成的三氧化二铝的重附率等参数对发动机沉积的影响.结果表明,进气角度变化对沉积分布位置影响不大,随着进气角度的增加,进气道附近沉积分布逐渐不均匀;增加燃气发生器出口喷孔数量,不利于减少沉积;重附率变化对沉积分布影响不大;在忽略大粒子颗粒沉积情况下,随着粒径的增大,沉积量存在一个极大值.     

非均匀流等压比变后掠角高超侧压式进气道研究

通过理论分析和风洞实验,对工作在前体附面层内的侧压式进气道,研究了等激波压比和等溢流角前提下侧压缩面的设计方法,分析了６种不同的侧压缩型面在４种来流附面层中,波后压力沿高度的变化规律和溢流角的变化规律。研究发现,采用部分圆弧加直线为前缘。四次曲线为斜面后缘型线的侧压缩面,在４种非均匀来流下的特性较好。马赫５．３的非均匀流风洞实验结果表明,等压比和等溢流角设计的侧压式进气道较通常的直前缘侧压式进气道,在非均匀来流中喉道截面马赫数分布均匀度好,总压恢复略高     

穿孔板切向流效应的理论和实验研究

 建立了一种有关切向流对小孔声阻抗影响的小扰动势流模型,其要点是使用法向质点速度连续而非广为采用的质点位移连续边界条件来匹配小孔剪切层两侧的声场,并在小孔前缘施加Kutta条件以反映切向流效应的机理———锐缘处的声涡转化。模型中还包含了实际应用中经常遇到的小孔形状和穿孔板厚度两个重要因素。理论预测的声阻和声抗与实验结果良好吻合。