高速喷管内部对流换热计算方法研究

精确计算喷管内部的流动换热特性是喷管组件热分析的关键。求解收敛扩张喷管内部气流与壁面之间换热情况的方法有经验公式法、CFD软件法和STAN5程序法。为了比较不同方法求解结果的准确性,应用这几种方法分别针对一个圆形收敛扩张喷管和一个矩形收敛扩张喷管进行求解,并将其与实验结果比较。无论对圆形喷管还是矩形喷管,CFD软件的求解结果与实验数据吻合较好。针对矩形喷管用STAN5程序的求解结果与实验数据也比较吻合。针对圆形喷管采用经验公式的求解结果在工程上可以接受,而针对矩形喷管的求解结果与实验数据差距较大。     

涡轮叶片外换热系数计算方法和比较

从工程实用观点出发，引入考虑主流紊流度影响的经验关系式，对McNally程序的前驻点、层流区计算方法和转捩模型进行了改进；引入“紊流度粘性”和间歇因子的概念，并综合考虑压力梯度、紊流度和进、出口雷诺数等因素对转捩的影响。对STAN5程序的层流区和过渡区计算方法进行了改进，采用相似解方法计算前驻点区的流动和换热，作为STAN5程序的初始条件。用改进的程序，对C3x、MKⅡ、Turner、Daniels和VKI叶型，在多种工况下的二维外边界层流动和换热进行了计算研究，分析和比较了程序中积分法和差分法的特点，总结出一套适用于工程设计计算的方法和程序。     

涡轮叶片外换热计算程序对比研究

对两种涡轮叶片外换热计算程序STAN 5和S1ICH的数值方法进行了比较.采用STAN5和S1ICH程序完成了VKI(Von Karman Institute)高压涡轮导叶和动叶叶栅的外传热系数计算,并将计算结果与试验数据进行了对比.结果表明,S1ICH预估的转捩位置、外传热系数的精度较高,同时S1ICH具有适应性广,收敛性好,准备初始参数方便的特点,满足工程设计计算的要求.      

涡轮叶片型面外换热系数的数值计算

在原STAN5计算程序的基础上,进行了改造和完善,从而形成了一个可供工程应用的计算二维涡轮叶型换热系数的实用程序。对六种不同的涡轮导向叶片和工作叶片进行了不同进、出口雷诺数,马赫数以及不同压力梯度和主流紊流度条件下的19个工况的流动换热计算。与实验数据比较表明,本程序应用于涡轮叶片型面换热系数的计算是成功的。     

气冷叶片表面局部对流换热系数的数值计算

本文提出了联立求解二维可压缩边界层方程组和稳定导热方程的迭代法,从而修正了文献[1]假定物体表面温度等于来流总温的局限;同时提供了用这种方法计算气冷叶片表面局部对流换热系数的完整的FORTRAN程序。文中用近似积分法求解边界层方程组,用有限元素法计算叶片的稳定温度场。算例的结果与有关的理论及实验结果相接近。     

面向非结构混合网格高精度阻力预测的梯度求解方法

针对非结构混合网格的特点,通过改进传统的Green-Gauss梯度求解方法,提出了一种可提高非结构混合网格黏性计算精度的节点型Green-Gauss梯度求解方法。利用改进后的方法,完成了DLR-F4翼身组合体算例的计算和对比分析。改进后的梯度求解方法残差收敛更好,下降量级更多,阻力系数和试验吻合更好,激波区域压力分布和分离区域流场细节的模拟更精确,说明改进后的梯度求解方法有效提高了程序的鲁棒性和阻力预测精度,验证了方法的有效性。采用改进后的方法对第5届AIAA阻力预测研讨会的通用研究模型（CRM）进行了详细的模拟分析,结果表明：改进的梯度求解方法更加适用于非结构混合网格的黏性计算,计算精准度达到国际同类CFD软件水平,进一步验证了改进方法的可靠性。     

攻角对涡轮叶片表面流动及换热的影响

利用短周期跨声速换热风洞测量非设计状态下攻角对涡轮叶片表面静压及换热的影响,研究攻角对涡轮叶栅压力分布及换热系数分布的影响规律。实验结果表明,攻角变化对吸力面压力分布影响较大,正攻角时在靠近吸力面前缘处产生很大的逆压梯度,随攻角增大吸力面后部压力逐渐增高,负攻角时压力面前缘产生较小的逆压梯度;正攻角主要影响吸力面换热系数,随攻角增大吸力面前缘局部区域换热显著加强,负攻角主要影响压力面换热分布,随攻角减小压力面换热加强,大雷诺数下换热系数分布规律与小雷诺数时基本一致。     

某涡轮导向叶片换热实验与计算

针对某涡轮导向叶片,实验测量了光滑叶片表面的压力系数和速比系数,并使用瞬态液晶测量技术获得了叶片全表面传热系数分布.分别使用shear stress transport（SST）,k-ω,k-ε和renormalization group（RNG）k-ε四种湍流模型模拟了相同结构尺寸的叶栅通道内的流动与换热,并与实验结果进行对比.结果表明:压力面压力系数沿弧长方向逐渐下降,吸力面上压力系数先快速下降达到最小值后缓慢上升（出现逆压梯度）.叶栅通道和叶片表面附近气流流动结构的复杂性导致叶片表面传热系数分布较为复杂.4种湍流模型对压力系数和速比系数的计算结果相互差别不大,计算数据也比较接近实验值.关于叶片表面传热系数,SST模型计算结果分布规律与实验接近,而其他3种湍流模型都没有能模拟出吸力面边界层分离对换热的影响.      

跨音速压气机叶栅流动有粘-无粘相互作用的迭代计算

 本文利用较为先进的附面层内法向速度分布等半经验相关式,发展了一种适用于大逆压梯度的附面层积分方法。将激波近似地用大逆压梯度代替,对湍流附面层进行了快速计算,再将求得的附面层参数与无粘主流计算通过建立适当的数学模型结合起来,反复迭代后将计算结果与实验数据及无粘计算的结果比较,可以看出有粘-无粘迭代对无粘计算结果有明显改进。     

高压涡轮导叶内冷通道流动特性计算分析

涡轮叶片内部冷却特性直接影响到叶片的壁面温度分布,必须对其展开详细的研究。本文利用网络法计算研究了某高压涡轮导叶内部冷却通道中的流动和换热特性,并进行了相应的流量特性试验研究。结果表明,改进后的计算程序可以较为准确地模拟出叶片内部冷却通道中的流量分配和压力、温度分布,以及冷气沿径向和弦向的压力损失。流量特性计算结果与试验结果吻合较好。      

涡轮叶片型面换热系数计算

本文用数值方法计算了无气膜冷却涡轮叶片上包括前驻点的整个型面上的换热系数。驻点区采用相似方程计算, 并用圆柱绕流近似表示驻点附近流场。较成功地模拟了边界层转捩和过渡区的换热情况。计算中考虑了来流湍流度的影响。      

气膜冷却涡轮叶片前缘外换热系数的实验研究

本文利用扁圆柱头部模拟涡轮叶片前缘对四个具有不同几何角度气膜孔的模型,测定了无气膜时和有气膜时的外表面换热系数分布规律.通过比较表明:气膜冷却时由于二次流的扰动,破坏了主流的附面层,导致外换热系数增加,这种影响在气膜孔口附近表现得尤为显著,并随着吹风比的增大而增大.本文给出了四个模型的外换热系数变化与主流雷诺数、吹风比、无因次弧长的经验关系式.并认为设计气膜冷却叶片时必须考虑换热系数的变化.     

涡轮叶片内冷却通道的流阻与换热研究

用实验方法研究了冷却气流在放大1倍模型涡轮叶片内通道的压力、冷热态流阻及局部换热系数分布。得出了相应的经验公式。冷却空气径向进入前缘冷却通道, 到顶端折而向下在两隔板间流动, 大部分空气经隔板5个穿孔弦向流入带三排扰流柱的收缩通道, 并弦向排出叶片尾部。      

涡轮叶片尾缘新型结构的换热与流阻

为了提高涡轮叶片的耐温能力,针对涡轮叶片尾缘内冷复合通道提出两种新的隔板结构。通过实验研究了新结构与传统隔板结构对通道的换热和压力损失的规律。采用薄膜加热片作为加热器提供等热流边界条件。实验结果表明：新的隔板结构的设计可以明显增强通道换热的均匀性,其中带孔直隔板提高换热均匀性的同时,部分区域的局部换热能力有所下降,同时压力损失也有所降低;而对于波形隔板结构,部分区域的局部换热能力也有所下降,但平均换热增大。该结构在对换热进行改进的同时,也伴随着压力损失有所增大。实验结论可为大型发动机涡轮叶片的内部冷却结构优化设计提供基础依据。     

高压燃气涡轮径向内冷叶片气热耦合的数值分析

采用气热耦合方法对采用径向内冷方式的MarkⅡ型跨声速高压燃气涡轮金属导叶进行数值模拟,通过分析叶片通道内的传热和流动过程发现叶片表面附面层内流动非常复杂,包含层流流动、转捩和湍流流动状态,所以只有使用转捩模型计算的叶片附面层内流动与实际情况相符,叶片壁面温度和换热系数分布与实验结果吻合的较好,使用其他湍流模型由于不能准确描述附面层内流动而使得计算结果误差相对较大,但是所有的湍流模型都能很好的模拟附面层以外流动.      

子午修型对1.5级大子午扩张涡轮端区流动传热性能影响研究

大子午扩张涡轮由于子午型线扩张度较大,因而易导致端区边界层分离及热集中,针对这个现象,采用数值模拟方法,并采用正弦曲线对某型1.5级大子午扩张涡轮子午型线采取了8种修型方案,研究子午修型对于端区流动传热性能的影响。计算结果表明,子午修型可以有效地控制端区的分离流动,从而影响着通道涡与脱落涡强度及位置,也影响着端壁及叶片上热负荷分布。在本文研究条件下,振幅为三分之一叶片最大厚度的前凹后凸子午型线有效地减弱了脱落涡引起的损失,进而使整体总压损失减小6.06%,并可以减弱端壁及叶片传热集中,使叶片最大热负荷减轻21%。     

有限分析方法求解粘性可压缩紊流

本文将有限分析方法进一步推广到粘性可压缩紊流流场的数值研究, 在贴体座标网格上数值分析了单列和串列叶栅内粘性可压缩紊流流场。计算表明, 有限分析方法具有数值精度高, 稳定性好和收敛速度快等优点, 适于粘性可压缩紊流流场数值计算。