大负荷低压涡轮叶型分离转捩流动的大涡模拟

应用动力模式大涡模拟数值方法,对来流无扰动、不可压、雷诺数为5×104(基于进口速度和轴向弦长),定常来流条件下大负荷低压涡轮叶型(Pak B)叶型吸力面非定常分离转捩流动进行了三维数值模拟。在与相关实验数据的对比基础之上,对非定常流动物理信息进行了详细的分析讨论,揭示了计算来流状态下的Pak B叶型吸力面非定常分离转捩流动机理。结果表明,由无粘Kelvin-Helmholtz机制产生的、空间线性增长的初始二维不稳定性在分离剪切内诱导展向旋涡形成并脱落,脱落过程中的展向涡在非线性增长的三维不稳定性作用下发生变形并最终破碎成湍流。计算得到的Kelvin-Helmholtz不稳定性特征频率处于相关实验测量范围内。     

导叶间隙不确定性对可调向心涡轮影响数值研究

为了评估可调向心涡轮导流叶片叶顶及叶根间隙尺寸不确定性对涡轮级性能的影响,首先将喷嘴环叶片大开度模型的单通道定常数值结果与实验数据对比;然后以导流叶片小开度涡轮为研究对象,数值模拟导叶两端叶顶间隙尺寸多种分配模型三维流场,总结出导叶间隙不确定性与涡轮级性能之间相应变化规律;最后选取导叶两端间隙平均分配模型和最优涡轮性能下间隙分配模型开展多通道定常/非定常计算,用于分析间隙分配变化对转静干涉影响。研究结果表明:当导流叶片轮缘侧间隙尺寸占全部间隙尺寸5%~15%范围时,涡轮级效率较高;当导叶间隙全部集中在轮缘侧时,涡轮效率较低;最高、最低效率差别约为6%。间隙泄漏流变化将引起下游转子叶片进口气流角发生变化,进而改变转子叶片吸力面前缘分离涡损失大小。此外,导叶两端间隙分配变化可以改变嘴环叶片吸力面激波强度,并通过诱发交变载荷变化方式影响转子叶片可靠性。     

2级涡轮内部流动定常与非定常计算差异研究

为获取进而认识涡轮内部流动状态,以某2级约化形式的动力涡轮为研究对象,分别对其进行定常和非定常数值计算和分析.研究表明:定常计算与非定常计算对涡轮内部流动的模拟结果,如叶片表面的压力分布、叶排进出口的气流角、叶片通道中的二次流流向涡、展向涡、叶片通道中的损失等,均存在差异;流动的非定常性越强,定常与非定常计算结果的差异越大,且该差异大小对于静叶与动叶呈相反的展向分布规律.     

基于表面粗糙度的超高负荷低压涡轮叶片附面层控制

实验研究了表面粗糙度对PACKD-A低压涡轮叶型损失及附面层特性的影响.实验分别在定常来流与非定常条件下进行,非定常条件下的上游尾迹通过运动的圆棒来模拟.粗糙叶片通过在光洁叶片表面切槽,埋入砂纸制作成型.叶型损失与吸力面载荷使用气动探针与壁面静压孔结合压差传感器来测量,附面层流场使用热线探针来测量.结果表明:覆盖5.2%吸力面弦长(起始于44.3%吸力面弦长,终止于49.5%吸力面弦长),粗糙高度为8.82μm的控制方案在非定常条件下效果最佳,该方案可在整个考察雷诺数范围内(3×104~12×104)降低叶型损失;覆盖19.5%吸力面弦长(起始于30%吸力面弦长,终止于49.5%吸力面弦长),粗糙高度为20.91μm的控制方案在定常条件下效果最佳,该方案可在低雷诺数范围内(小于8×104)降低叶型损失、扩大叶型正常工作雷诺数范围,但在高雷诺数下(大于8×104),却带来了一定的额外损失.      

一种大负荷低压涡轮叶型的气动性能

基于Lantry-Menter转捩模型,分别对Zweifel升力系数为1.2的一种大负荷低压涡轮叶型在定常来流不同湍流度、雷诺数条件下,上游非定常、周期性尾迹作用下的流动进行了数值模拟.计算结果表明,定常来流低雷诺数条件下,湍流度对该大负荷叶型的气动性能影响较大;上游非定常、周期性尾迹对叶型吸力面分离泡的抑制作用可进一步减小低雷诺数条件下的叶型损失.计算结果揭示了该大负荷叶型在低压涡轮内部真实流动环境中的表面流动及损失特征,对国内现行低压涡轮设计有着较好的启示.      

低雷诺数下涡轮转子内部流场的数值模拟研究

采用加入AGS转捩模型的Spalart-Allmaras湍流模型对低雷诺数条件下某涡轮转子内部流场特性进行了数值模拟。分析了雷诺数下降对涡轮内部流场特性的影响,探讨了雷诺数下降对涡轮气动性能的影响特点。计算结果表明,雷诺数下降使涡轮转子叶片吸力面附面层显著增厚,叶片尾缘气流局部分离,并进而严重影响涡轮的气动性能和稳定性。     

高负荷涡轮端区非定常流动相互作用研究

采用三维黏性非定常数值模拟方法研究了某型高压涡轮端区非定常流动相互作用,着重研究了上游静子尾迹与转子二次流的非定常作用机制,同时还分析了负荷分布、激波等对端区非定常流动的影响。结果表明,静子尾迹的非定常作用一定程度减小了转子轮毂二次流的径向涡量;尾迹对流向涡量的影响取决于尾迹沿叶高的分布,当吸力面一侧的尾迹具有与二次流方向相反的流向涡量时,二次流的流向涡量减小;非定常效应还使得转子叶片根部负荷略为减小,也一定程度上抑制了转子轮毂二次流的发展。此外,受静子尾缘激波的影响,转子叶片表面负荷分布发生明显的周期性变化,导致叶片表面承受较强的非定常力,在涡轮设计中必须考虑。另外,通过计算涡轮级中的熵增和熵产,定量地分析了端区非定常相互作用产生的损失,并得到了一些有意义的结论。     

尾迹诱导下低压涡轮边界层转捩的数值模拟

为研究尾迹诱导下低压涡轮的边界层发展,采用基于三阶MUSCL-Roe格式、引入转捩准则后的一方程Spalart&Allmaras模型和隐式牛顿迭代时间推进的非定常雷诺平均计算方法,对上游运动圆柱产生的周期性尾迹作用下的T106低压涡轮叶片边界层转捩流动进行了数值模拟。定常来流下,准确捕捉到分离诱导转捩及雷诺数效应现象;尾迹作用下的非定常计算,则揭示了尾迹在叶栅通道内的输运过程,及尾迹对低压涡轮吸力面上层流分离的抑制作用。     

旋流畸变影响低速轴流压气机数值模拟研究

为研究进气旋流畸变对轴流压气机性能和稳定性影响的机理,设计了一种叶片式旋流畸变发生器,分别采用定常和非定常计算方法对旋流畸变发生器和两级低速轴流压气机进行了联合数值模拟研究。定常计算结果表明:旋流畸变发生器的叶片弯角越大、对涡强度越高;对涡旋流导致压气机总压比和效率降低,稳定边界流量明显增加;对涡强度越大,对压气机性能和稳定性影响越严重;对涡的反向涡对压气机影响较大,同向涡影响较小;反向涡造成部分叶片的叶根区域吸力面附面层提前分离,是导致压气机失稳的主因;非定常解的总压比和效率均略高于定常解,两种计算方法得到的稳定边界差异明显,非定常解的稳定边界流量比定常解小19.2%,非定常计算结果更接近试验值。     

自由流湍流度对某低压涡轮级气动影响的数值研究

基于Langtry-Menter转捩模型,定常求解雷诺平均的三维粘性N-S方程组,数值研究了不同雷诺数工况下,自由流湍流度(FST)变化对某低压涡轮级流场及性能的影响,揭示了FST对该低压涡轮级叶片吸力面表面流动及涡轮级效率雷诺数效应的影响规律;并基于一种损失分离方法,细分了FST对该低压涡轮级内部各损失分量,如叶型损失、端壁边界层损失,叶尖泄漏损失的影响.      

高压涡轮全环非定常流动数值模拟

为了进一步准确地掌握涡轮内部复杂流动特征,采用全环非定常数值模拟方法研究了某型高压涡轮内部非定常流动,重点分析了上游导叶尾迹和激波在动叶流动中的非定常作用机制,探讨了引起动叶通道内及叶片表面压力分布周期性变化的非定常扰动。数值结果表明:与尾迹作用相比,由导叶激波引起的非定常效应更为明显,尾迹引起的非定常扰动在动叶0.5倍轴向弦长位置下游较为突出。在动叶流场中及叶片表面上的静压变化显示,在动叶通道内还存在低频扰动,对局部流场的非定常扰动明显。最后指出,在非定常计算时采用区域缩放法对流场中非定常扰动的预测存在一定误差。     

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。     

非定常条件下叶片弯曲对流场参数的影响

分别对具有弯、直导叶的一级涡轮叶栅流场进行了非定常的数值模拟。研究了叶片弯曲对多级叶栅流场非定常气动性能尤其是效率的影响 ;分析了叶片弯曲对尾迹扩散效应及对其三维形状的影响 ;以及尾迹形状与扩散过程的变化对动叶进口条件的改变 ;同时还研究了叶片弯曲对涡轮级内非定质量堆积的影响。通过对定常效率与非定常效率波动及其平均值的对比 ,分析了在考虑非定常条件下弯曲导叶对降低本列叶栅损失与动叶内损失的贡献     

汽轮机末级三维非定常流动数值模拟

采用三维粘性非定常数值模拟方法,对某汽轮机设计状态末级非定常流动进行了模拟,并对设计状态下各因素引起末级动叶表面产生非定常力的大小和作用机理进行了分析。结果表明,本文中的汽轮机末级在设计条件下,上游静叶尾缘激波和位势场对下游转子的影响比尾迹作用的影响更大,静叶尾缘激波和位势场导致下游转子叶片表面非定常力大小呈周期性变化;此外上游静子尾迹以及动叶尾缘出口膨胀波等也是产生转子叶片表面非定常力的因素。      

多级压气机非定常流动的数值模拟

进行了多级压气机动静叶片排干扰的三维非定常无粘流动数值模拟研究，采用高分辨率格式求解非定常Euler方程组。对某以级压气机的非定常无粘流场的计算结果表明，即使在不考虑粘性影响的情况下，压气机动静叶排干扰的非定常效应仍然是比较显著的，各叶片排所受到的非定常影响是不相同的，计算得到的叶片表面压力周期性波动的结果可为叶片强度计算提供较为准确的数据。     

蒸汽轮机长叶片颤振预估方法研究

本文根据叶栅实验和流场计算结果对蒸汽轮机末级流动特征进行了分析。在小容积流量工况,末级流场可分为根部脱流区、脱流区之上的主流区叶栅槽道存在附体流区和分离区。三区大小随容积流量变化。由于末级流动复杂,发展工程上实用的算法很有吸引力。实验结果和理论分析表明,在小容积流量工况容易诱发叶片自激振动。为了能预估叶片颤振,本文发展了系列变形激盘法(机时少,适于工程应用)、数值方法 (能给出叶片表面压力分布和激波振荡,有助于了解叶片颤振发作机理)。经实验证明,可以用于叶片设计阶段颤振预估。      

跨音速压气机动静叶排相干的三维非定常流动数值分析

采用时空二阶精度ＮＮＤ显式差分格式求解三维Ｅｕｌｅｒ方程，对跨音速压气机级中动静叶排相干形成的非定常流动进行了数值分析。除动静叶排流动的控制方程体系、数值方法外，着重讨论了动静叶排计算域、网格以及边界条件的处理。对某压气机第１级动静叶排相干的非定常流场的计算，给出了叶片表面的马赫数分布、压力波动幅值，以及叶片槽道中瞬态密度等值线等，并分析了结果的合理性。     

轴向间距变化对低压涡轮定常与非定常气动性能影响的数值研究

为了研究不同轴向间距下定常计算与非定常计算间的差异,以表明在涡轮设计中进行非定常计算与分析的必要性,对高负荷低压涡轮级进行了在不同轴向间距下的定常和非定常流动的数值模拟研究,并通过分析动静干涉条件下轴向间距变化对涡轮气动性能的影响并与定常条件下间距变化对气动性能的影响进行对比。结果表明:只有在某个合适的轴向间距范围内,定常计算结果才具有较好的参考价值;轴向间距的增加使得动叶正、负攻角都有减小的趋势,有利于改善动叶的流动状况;非定常流动的动量掺混损失具有其逆效应,它使动叶端部横向压力梯度减弱,二次流损失下降。     

双级风扇三维粘性非定常流动的数值解

针对一台双级跨音速轴流风扇动静叶片排相互干扰的三维非定常流动,进行了N-S方程的数值求解。首先计算风扇定常流场,以定常流收敛结果为起始场计算非定常流动。计算结果表明,非定常流动对各叶片排进口气流角有较大的影响,其中静叶的变化大于动叶,与定常流结果相比,非定常的瞬态攻角增大的量大于减少的量,最多时增大近10°左右。静子叶片受到的非定常气动力变化幅度也大于转子叶片,叶片排所处的轴向位置不同,非定常流动的影响会有较大的差别。