中心进气旋转盘流动与换热的数值研究

本文采用混合长度模型及共轭计算的方法对中心进气转静系旋转盘、腔内的流动与换热进行了数值计算, 并与实验结果进行了比较, 证明混合长度模型对转静系旋转盘、腔的流动与换热的计算是可行的。计算结果显示: 冲击区努赛尔特数最大值不在驻点, 而是偏离驻点一段距离; 随着转速和冷气流量的增加, 盘面换热总体加强。      

高位垂直进气旋转盘流动与换热的实验研究

本文用实验的方法对高位垂直进气转静系旋转盘附近冷气流动与换热特性进行了实验研究, 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, 并对结果进行了相应的分析。      

有预旋进气转静盘腔中的流动和换热特性数值研究

运用RNG湍流模型对有静盘外缘预旋进气和轴向中心进气、转盘外缘轴向出气和外围屏径向出气的转-静盘腔中流动和传热过程进行了数值研究。在盘腔结构中,静止内隔片和旋转内隔片将盘腔分为内转-静盘腔室和外预旋腔室。由于盘腔流动结构具有周向周期性,取盘腔的1/30作为计算域。研究发现:旋转雷诺数Re_θ、预旋喷嘴进气无量纲流动速度C_w,_p、静盘中心轴向进气的无量纲流动速度C_w,_d和预旋比β_p都不同程度地影响盘腔内流动和换热。预旋和隔片的协同作用可以很好地起到阻止热燃气入侵转-静盘腔和提供低静温冷却气体流入涡轮叶片冷却通道。      

涡轮盘腔内流动和传热的数值模拟

将实际涡轮盘腔简化为转子系统, 并用混合长度模型、N-S方程和能量方程模拟了该系统的流场和温度场, 采用SIMPLE法数值计算了自由转盘周围的温度场;封闭转子-静子腔内的流场和温度场;有入流和出流的转子-静子腔内的流场。计算结果与实验值符合较好, 因而为数值模拟涡轮盘腔内的流场和换热打下了基础。      

中心进气开式转静系转盘风阻扭矩实验

采用实验的方法对中心进气开式转静系转盘的风阻扭矩特性进行了研究,利用特殊的测量装置设计,实现利用静止扭矩仪测量转盘受到的风阻扭矩。结合流动参数以及转静间隙比等变量,对比研究了有无封严结构的转静系两种模型,并总结出开式转静系转盘的扭矩系数经验关系式。结果表明,转盘的风阻扭矩主要受到腔内的流动结构影响,腔内流体的流动形式,旋转主导或者通流主导对转盘扭矩系数有着不同的影响。对比自由盘,开式转静系中静盘对扭矩系数的影响与间隙比的大小有关。分析实验数据发现最小临界间隙比以及最大临界间隙比的范围,分别为G=0.02~0.04以及G=0.06~0.08,当间隙比较小且腔内旋转主导,转盘扭矩会比对应参数自由盘模型小5%~15%,而出口封严环罩会使得转盘扭矩系数增大20%。     

对转涡轮盘腔内各参数变化对转盘壁面摩擦力矩的影响

对转涡轮盘腔内壁面摩擦力矩的大小直接影响盘腔内气体流动结构和换热效率,进而影响对转涡轮发动机的性能。应用RNG k-ε湍流模型对对转涡轮盘腔内气体流动进行了数值模拟,研究了对转涡轮盘腔间距、中心进气流量、转盘转速的变化对盘腔内壁面摩擦力矩的影响。数值模拟结果表明,盘腔间距在计算范围内的变化对转盘壁面摩擦力矩的影响不明显;转盘壁面摩擦力矩随中心进气流量和转盘转速的增大而增大。     

高位垂直进气转静系盘腔内流场的数值研究

对高位垂直进气的转静系旋转盘腔流场进行了数值模拟研究。研究结果表明:所研究的转静系旋转盘腔流场,转盘和静盘两个表面附近形成各自独立的边界层。r/b>0.4时,旋流系数β值随径向位置的增大呈减小趋势。r/b<0.4时,核心区同一径向位置处β值可视为常数,β值随径向位置的减小而减小。     

进气角度对旋转盘冷却效果的影响

为了研究不同的预旋角度对高位进气转静系旋转盘冷却与换热特性的影响,分别在三种预旋进气角度(0°,15°,30°)下对转盘的冷却效果进行了试验。通过试验,得到了每种预旋角度下的温度分布、盘面局部努赛尔特数分布、盘面平均努赛尔特数、转盘无量纲总体平均温度和转盘无量纲径向平均温差等参数。试验结果显示:高位垂直进气的冷却效果最好,预旋15°次之,预旋30°最低。并且流量变化对转盘的冷却效果影响较大,而转盘旋转影响较小。     

有去旋进气共转盘腔内流动换热数值模拟

对左边转盘高位带去旋孔且附有内隔片的共转盘腔内的流动和换热进行了数值模拟.揭示了去旋角、旋转雷诺数、去旋喷嘴进气无量纲流量系数等参数对共转盘腔内的流动结构、压力损失和换热效果的影响.结果表明:盘腔内的总压降随无量纲流量系数的增加呈"S"形变化趋势;旋转雷诺数和冷气无量纲流量系数的增大都能增强转盘表面的换热效果;与预旋转静盘腔相比,去旋进气共转盘腔能使出口气流温度更低,冷却效果更好.      

高位垂直进气转静系旋转盘腔流场的实验

利用粒子图像测速技术(简称PIV)对高位垂直进气的转静系旋转盘腔流场进行了实验研究.该盘腔由一个旋转盘、一个静止盘及静止的外围盘罩组成.实验结果表明:PIV粒子成像技术可以应用于旋转盘腔结构的流场测试, 在本实验的工况范围内, 大部分区域的流动已为湍流, 两盘间的流动结构明显具有Batch-elor流型的特点, 转盘和静盘两个表面附近形成各自独立的边界层, 两边界层之间有一个旋转核心, 核心区内旋流系数β比大间隙封闭系统湍流流动时旋流系数的值0.43要小.流量系数和旋转雷诺数的变化对旋流系数β的影响较小, 但转静间隙的变化对β的影响较为显著.      

具有中心进气外缘加热旋转盘的局部换热特性研究

实际的中心进气的气冷涡轮盘结构被简化成中心进气外缘加热的旋转盘模型, 以实验的方法研究了转速、冷气流量、盘面与静子的间隙和出气间隙对转盘表面局部换热特性的影响。转盘有效实验直径为360mm, 最大转速为3600r/min.实验结果表明:盘面的局部热流密度和对流换热系数呈“U”型分布;冷气流量加大, 盘面的换热系数提高;增加转速, 盘面外缘的换热加强。      

用高效矢通量分裂格式求解二维叶栅的跨音流动

提出了一种高效隐式矢通量分裂格式。该格式通过在显格式上添加合适的高阶小量, 避免了近似因子分解和系数矩阵运算, 大大地减少了计算量。同时该格式在收敛性及激波捕捉精度等方面均保持了矢通量分裂格式所具有的优势。将该格式用到了二维叶栅的无粘跨音流场的数值模拟中去, 结果令人满意, 证实了无矩阵运算、无近似因子分解的隐格式构造有一定的推广意义。      

转速非稳态变化对中心进气旋转盘平均换热的影响

实际的中心进气涡轮盘被简化成中心进气外缘加热的旋转盘模型, 以实验的方法研究了涡轮旋转盘附近冷气在非定常情况下的流动与换热特性, 主要是转速变化对盘面温度和盘面的平均努赛尔特数的影响。转盘的有效半径为 2 0 0 mm,最大转速为 3 0 0 0 r/min,加热功率为 1 0 0 0 W。实验结果表明: 盘缘区域温度随时间的变化率大于中心区域温度随时间的变化率; 转速增加使盘面平均努赛尔特数增大; 在给定时间内转速增至最大后使系统稳定还是分段使系统稳定后再增加转速, 对盘面平均努赛尔特数的影响不是特别明显。      

直接供气预旋转静系流动和换热数值模拟

采用CFD商业软件FLUENT分别从维度模型和湍流模型两个角度对接近真实的高压涡轮旋转盘腔进行数值模拟,研究了一种直接供气预旋转静系旋转盘腔模型内的流动和换热特性.通过计算研究发现:低位腔内的流动仅由中心入流控制,二维计算不能反映高位腔内中心入流与预旋入流的掺混;二维和三维计算所得的腔内压力分布相似,实验值介于两者之间;主盘面的换热主要受中心入流控制,二维和三维计算差别不大,Realizable k-ε湍流模型在定性和定量上均能更好地反映换热实验结果.      

瞬态法测量高转速旋转盘表面传热系数

将实际发动机涡轮盘冷却系统简化为中心进气旋转盘,用瞬态实验的方法对该结构的换热特性进行了研究.以高转速旋转换热实验台为基础,建立了转静系盘腔中瞬态换热的实验流程和数据处理方法,得到了转盘表面的努塞尔数,并研究了流量系数、旋转雷诺数和出气间隙比对努塞尔数的影响.研究结果表明:对于中心进气冷却结构,在转盘低半径处,转盘表面的表面传热主要由冷气冲击控制,随着半径的的增大冲击对换热的影响减弱.转盘表面的努塞尔数随冷气流量系数的增大而增大,随旋转雷诺数的增大而增大,随出气间隙比的增大而减小.      

高位垂直进气径向出流旋转盘腔风阻效应的实验

用实验的方法对高位垂直进气转静系旋转盘的风阻效应进行了研究,研究结果表明:转盘无量纲力矩系数随着旋转雷诺数的增加而减小;转盘无量纲力矩系数随着流量系数的增加而增加;且与冷却的具体结构有关;在高旋转雷诺数时,转盘无量纲力矩系数小于自由盘无量纲力矩系数;当流量为0时,无量纲力矩系数的数值全部小于自由盘之值.     

流量变化对中心进气旋转盘平均换热的影响

实际中心进气的气冷涡轮盘被简化成中心进气外缘加热的旋转盘模型, 以实验的方法研究了涡轮旋转盘附近冷气在非定常情况下的流动与换热特性, 主要是冷气量对盘面温度和盘面的平均努赛尔特数的影响。转盘的有效半径为 400mm,最大转速为 3000r/ min,加热功率为1000W。实验结果表明: 盘缘区域温度随时间的变化率大于中心区域温度随时间的变化率; 流量的改变, 盘面平均努赛尔特数亦随之发生较快的改变; 某一工况下对转盘进行加热, 稳定后, 停止加热, 盘面平均努赛尔特数从一个很大的数值逐渐减小, 然后再逐渐增大。      

高旋转雷诺数下预旋进气转-静盘腔流动换热特性

运用RNG k-ε湍流模型对高旋转雷诺数和预旋进口速度下,静盘外缘预旋进气、转盘外缘轴向出流模型的流动和换热过程进行了三维数值模拟,主要研究了冷气流量Cw、旋转雷诺数R ee等参数对转盘对流换热系数和出流口温度分布的影响,并与垂直进气方式进行了对比。研究表明:预旋进气方式与垂直进气相比可降低涡轮叶片冷气入口总温;冷气流量增大以及旋转雷诺数增大均使得转盘平均换热增强;涡轮叶片入口温度随冷气流量增大而降低,随着旋转雷诺数的增大先升高后降低。      

航空发动机整机空气系统流动与传热数值模拟

为了研究航空发动机整机空气系统内流动与传热特性,本文以涡扇发动机整机空气系统为对象,主要包括压气机盘腔、涡轮盘腔、低压轴前后腔、前后轴承腔等旋转盘腔和大量的流阻换热单元以及相邻的结构部件。所研究的是一个多腔相连,多进口,多出口,流固耦合传热的复杂问题,分析了发动机真实状况下空气系统内的流动与传热特性。采用Mixture多相流模型进行数值计算得到了该系统的速度场、压力场和温度场。结果表明：该系统内的流场是复杂的多涡流场,多个出口出现燃气倒灌;整个系统的腔压大致从前到后逐渐升高;由于主流通道燃气的入侵,导致高、低压涡轮盘的温度较高,后轴承腔内滑油的冷却作用较为明显。本文的工作使得对发动机整机空气系统的研究不再局限于一维计算,为空气系统的设计提供了理论依据。