涡轮冷气掺混数学模型与计算方法的研究

本文建立了一个涡轮冷气掺混的数学模型并将其应用到气冷涡轮的 S2 流面计算中。根据该模型推导出了考虑冷气掺混时相对坐标系下的气动热力学方程组。通过掺混流函数的引入建立了计及冷气掺混的 S2 流面计算方法。计算结果表明了本文模型的合理性与算法的可行性     

考虑冷气掺混的涡轮气动性能数值研究

采用数值求解雷诺平均N-S方程的方法,数值模拟了带冷气掺混的涡轮内部全三维黏性流场,研究了冷气掺混对涡轮流动损失和气动性能的影响。数值计算结果表明,对于具有单排孔冷气入射的气膜冷却情况,当入射角是30°时,随着冷气流量增加,流动损失减小;而对于多排气膜孔冷气入射,各排气膜孔冷气之间的干扰是引起流动损失的主要原因,对不同位置冷气流量的优化选择,可以明显减小前后排冷气的掺混损失。为了降低冷气掺混的流动损失,基于数值实验的结果,本文首次引入了叶片表面气膜孔沿径向交错排列结构。     

一种计算气膜冷却效率的新模型

提出了等效边界层的概念及“质量喷出率”的参数，并在此基础上提出了一种新的离散孔气膜冷却的掺混模型，解决了冷气喷出后边界层内速度分布波动大及高吹风比时冷气穿透边界层引起的计算困难，计算表明，与以往气膜冷却的掺混模型相比，新的掺混模型能适用于较高吹风比情况下的冷却效率的计算问题。     

涡轮叶片型面气膜冷却效率的计算模型

研究并发展了以低雷诺数k ε紊流模型为基础的气膜冷却效率计算方法,将前人针对平板气膜冷却提出的掺混模型推广应用于涡轮叶片型面。计算结果表明,导向叶片型面存在四个典型区域,每个区域自气膜孔喷出的冷气射流与主流的相互作用的规律不同,对于四个典型区域分别建立质量喷出率φ和三维掺混系数γ两个经验参数随冷气吹风比变化的规律,并用所得的规律计算叶片上单排气膜孔下游的冷却效率,与实验数据符合良好。     

航空燃气涡轮冷气掺混流动损失的数值研究

采用理论分析的研究方法,对不同冷气掺混形式造成的涡轮气动性能的变化进行了数值计算研究。针对气膜冷却所造成的流动损失,采用修正的Ito等压混合模型;而针对尾缘冷气喷射所造成的流动损失,则采用了修正的Schoberi流动损失模型。对于不同的冷却方式,假定它们之间对主流造成的流动损失是相互独立。以某高压涡轮导向器作为研究对象,分析了各种冷气参数和几何参数对冷气掺混过程的影响规律。研究结果表明,涡轮叶片气冷过程引起的叶栅总压损失随冷气入射角度、吹气比、混合层厚度的变化而显著变化,通过优化设计可以使气冷过程造成的流动损失最小。     

考虑冷气掺混的涡轮气动设计计算方法

为进行冷却涡轮气动设计计算在旋转坐标系中推导了满足质量、动量和能量方程的冷气与主流掺混的关系式。据此编制了计算机程序。计算结果表明 :对于较大的冷气量 ,气流参数有显著的变化 ,精细考虑冷气影响是必要的     

带尾缘劈缝冷气喷射的涡轮叶栅性能实验及计算

通过平面叶栅实验和CFD数值计算方法,研究了叶片尾缘全劈缝冷气喷射下涡轮叶栅流场和气动性能。试验和计算发现,在冷气喷射条件下用不同损失系数描述涡轮叶栅性能,结论明显不同,用考虑冷气能量的能量损失系数评价气冷涡轮叶栅性能较为准确和客观。在较小的冷气流量下,劈缝冷气喷射使叶栅能量损失降低,尾缘劈缝冷气喷射可改善近尾迹区域的流动,减小尾迹亏损,降低尾迹掺混损失。尾缘劈缝冷气射流方向偏向叶片某型面,则尾迹损失峰值朝此型面偏移。     

气冷涡轮叶栅效率的计算方法

将气冷涡轮叶栅中的冷气与主流在边界层中的掺混模型和在边界层外的掺混层中的掺混模型结合起来, 建立了一个预估气冷涡轮叶栅效率的计算模型。根据该模型利用回转面叶栅无粘流场的计算结果和二维叶面边界层流动的计算结果来预估气冷涡轮叶栅的效率。该算法为气冷涡轮叶栅的优化气动设计提供了一个计算手段。      

带冷气掺混的涡轮级流场数值模拟

为了实现对带冷气掺混的涡轮级流场的数值模拟 ,利用 Jameson有限体积方法在 H型结构化网格上求解 Reynolds平均 Navier-Stokes方程组。根据混合平面假设实现涡轮级 (导向叶片 /转子 )动静流场的联算。采用一维等熵流动模型求解冷却气体在冷却孔出口的流动参数 ,并通过在边界注入相应的通量引入冷却气体对主流流场的影响。通过对典型算例计算 ,获得与实验吻合的结果。验证了本文方法的可行性和计算精度。基于此 ,本文对亚音速和跨音速两组涡轮级的带冷气掺混的三维流场进行了粘流流场和换热分析 ,获得了合理的计算结果。     

气冷高压涡轮模拟试验研究

为了量化评估冷气掺混对高压涡轮性能的影响,综合分析现有设备能力,采用动量比相似的模拟方法,在2个结构和测试布局相同,但叶片分别为实心叶片和气冷叶片的涡轮上进行对比试验,并借此开展冷气流量、气膜孔位置因素对涡轮性能影响的试验研究。结合试验数据对比分析不同的效率计算方法,确定有效效率为气冷涡轮效率的计算方法。试验结果表明:涡轮性能随冷气流量的增加逐渐恶化,作功能力逐渐下降,效率降低幅度呈先减小后增大趋势;从前缘至尾缘,冷气越靠后进入主流道,气体能量利用率越低,涡轮效率越低。     

气膜冷却对某型高压涡轮动叶性能影响的数值研究

采用计及质量源密度空间分布规律的冷气掺混模型,对某型高压涡轮动叶有／无冷气喷射时的气动性能进行了数值计算和对比分析。数值分析结果表明,该模型能够较准确地模拟出大流量冷气喷射对涡轮性能的影响。冷气喷射导致了马赫数的下降和气流角的变化,叶片表面和端壁处形成了低温保护层,且压力面附近温度降低较吸力面强烈。     

带扰流柱内冷通道对表面气膜冷却特性的影响

为了讨论内冷通道结构对表面气膜冷却特性的影响,通过数值模拟的方法,计算研究不同结构下,冷气流过带有扰流柱内冷通道对表面气膜冷却特性的影响,并研究冷气通道与燃气掺混后的冷却效果;采用六种不同结构的扰流柱与气膜孔排列方式,计算中吹风比的范围为0．1〈M〈2．0。结果表明：冷气通道内的扰流柱对进入气膜孔的冷气起到稳定作用,比冷气通道内不加扰流柱的气膜冷却效果好,而且扰流柱与气膜孔不同的排列方式对气膜冷却效果有显著影响,因此选择合适的排列方式有利于气膜冷却。     

基于分离涡模拟的平板气膜涡系结构与流动损失数值研究

气膜冷却在保护高温部件的同时,主流与冷气干涉会形成复杂的涡系结构并造成掺混损失,研究二者之间的作用机理对指导气冷涡轮优化设计具有重要意义。本文采用DES (Detached-Eddy Simulation)方法对平板圆柱气膜孔的流场进行非定常数值模拟,分析了涡系演变规律以及掺混损失。结果表明：随着吹风比的提高,冷气射流与主流的流动掺混过程表现为两种不同的模式,低吹风比时下游冷气主要受顺时针方向的迎风涡控制,高吹风比时逆时针方向的迎风涡和顺时针方向的背风涡同时控制下游冷气运动;频谱分析显示,流场扰动存在着明显的倍频关系,基频信号由脱落涡产生,频率大小与吹风比呈线性关系;损失分析表明,流场损失主要由冷气与主流的温差换热导致,占总熵损失的90%以上。     

多级考虑冷气掺混流片变厚度的S_1流面研究

为减少气冷涡轮气动设计难度,提出一套基于多级气冷涡轮考虑冷气掺混及随流道翘曲、变厚度的S1流面计算思路,编制了带冷气的翘曲S1流面薄片计算的参数化方法程序及网格自动生成程序,改良了传统平面薄片,对比分析了改良后平面薄片、翘曲S1流面薄片以及三维计算间差异,对某高压涡轮进行了翘曲S1流面薄片气动优化.结果显示:与三维计算对比,改良后平面薄片最大流量差距为22.68%,翘曲S1流面薄片为3.58%,一维数据上翘曲S1流面薄片更逼近三维计算;型面压力分布及马赫数云图分布上翘曲面S1流面薄片较改良后平面薄片更贴近三维计算;采用翘曲S1流面薄片进行优化后,效率较原始方案提升0.41%,流量较原始方案仅增加0.21%.     

涡轮叶栅尾缘冷气喷射对主流场干扰的物理模型的研究

本文分析了叶片尾缘喷气与主流干扰的机理,改进了二维、可压缩的涡轮叶栅尾缘喷气模型,并以能量损失系数ξＦ 来反映冷气喷射对主流的气动影响。通过尾缘喷气模型与涡轮叶栅流场计算及附面层参数的关联,分析了冷气喷射后的气动损失。与实验结果的对比分析表明,该模型能较准确地反映叶栅尾缘冷气喷射与主流的掺混情况,适用于预测不同形式的叶栅尾缘喷气对叶栅气动性能的影响     

适用于航空涡轮全三维设计的气动设计体系

建立了一种以考虑损失的多级三维无粘定常计算程序为主的设计体系 ,该体系考虑了多级透平工作中的变比热容和冷气掺混 ,叶列间参数传递处理上采用了 Rieman解和松弛因子提高程序的稳定性 ,在二维基准截面造型中采用了三次有理 B样条曲线成型 ,三维叶片积迭采用 Besier曲线生成母线。此设计体系同时依赖于一个损失估算体系 ,用来较准确地估算涡轮效率。设计实践证明该体系适用于现代涡轮的全三维设计     

紊流射流掺混流场的有限差分计算

本文给出了二维紊流射流掺混流场的有限差分数值计算方法。用这种方法可以计算等截面和变截面二维(平面的和轴对称的)可压缩紊流射流掺混的流场分布。本方法已经用FORTRAN算法语言编制成计算程序,在FELIX C-256电子计算机上进行运算。通过算例和实验结果表明,本文提供的方法是可行的。     

具有前缘凹陷特征的气冷涡轮叶型研究

提出了一种具有前缘自锁涡的新型气冷涡轮叶型.对新叶型流场进行了跨声速情况下的详细数值研究.观察了由前缘冷气喷射所形成的冷气旋涡沿叶型表面的变化.将新叶型的冷却效率、能量损失、压力场等与传统气冷涡轮叶型进行了对比.结果表明:新气冷叶型能够把由前缘冷气喷射形成的冷气旋涡锁定在其凹陷部位.冷气与主流的掺混损失减小.因此,前缘冷气喷射孔的列数可以减少.相应地,冷气喷射量可以减少.      

气冷涡轮级流场的数值模拟方法与试验验证

采用具有TVD(total variation diminishing)性质的三阶精度Godunov格式、自由型曲面网格生成技术以及分区网格算法,对某型涡轮级进行考虑冷气掺混的全三维Navier-Stokes(N-S)方程数值求解,并将所得的结果与试验数据进行对比分析.通过分析数值模拟结果研究了该涡轮级所具有的气动特点.结果表明:所开发的快速、高效冷气掺混网格生成方法以及任意分区的流场求解算法可以满足工程上对气冷涡轮级的总体性能的快速估算及流场结构的详细描述.      

后台阶三维缝隙气膜冷却的非稳态数值模拟

为了进一步深入了解涡轮叶片尾缘冷却结构的气体流动情况及冷却特性,在原有稳态计算模型的基础上建立了非稳态的计算模型,研究了不同吹风比下(0.5,2.0)的出口壁面冷却效率的分布情况。计算结果表明:(1)非稳态效应使得出口下游的湍流度增大,非稳态时均冷却效率的计算结果比稳态的要低一些。(2)吹风比为2.0时,二次流对出口附近流动起决定作用,并且冷气的横向掺混充分,主流二次流的上下掺混缓慢;吹风比为0.5时,主流与二次流的上下掺混剧烈,非稳态的计算结果在出口肋后附近的冷却效率比稳态结果有所提高。(3)非稳态的计算结果比稳态的计算结果更接近实验结果。