源项不准确加载对源项法模型仿真精度的影响

针对平板多孔气膜冷却结构开展了真实模型和源项法模型数值仿真,在同实验数据对比取得较高精度的基础上探究了源项不准确加载对源项法模型仿真精度的影响,分析了加载方式、流量系数、网格参数等影响因素。结果表明:源项法模型可以代替建立带气膜孔真实模型对气膜冷却结构进行数值计算。网格准确定位的源项加载方式在粗细网格条件下均能取得较高的精度,点源项加载方式对网格较为敏感。因流量系数公式不准确导致的流量计算误差会影响源项法模型的计算精度,低吹风比下影响更为显著。气膜孔进出口处网格面密度应不少于4个/mm2,第一层网格高度的选取应符合所选用的湍流模型,以保证较高的计算精度。     

基于源项法的气膜冷却涡轮叶片多目标优化

以GE-E³高压涡轮第一级气冷导叶为研究对象,通过多目标遗传算法优化气膜孔布局以降低叶片表面温度。其中采用源项法模拟全场气膜冷却效果,该方法节省计算量的同时无需对气膜孔划分网格,通过对比实验结果后认为,源项法可以较好地模拟出冷气覆盖效果如表面动量损失等。在此基础上采用多目标遗传算法NSGA-II (Nondominated Sorting Genetic Algorithm II),以气膜孔的出气角及流向位置为设计变量,以叶片表面最高温度及平均温度为优化目标。结果表明叶片表面温度分布有所改善,其中压力面优化效果要好于吸力面。      

肋角度对流量系数影响的数值模拟研究

利用有限体积法对三维不可压缩的N-S方程进行离散,对同时带肋和气膜孔出流的内流冷却通道在45°,60°,90°,120°肋的结构下进行了数值模拟。网格划分采用非结构化网格,湍流模型为Realizablek-ε模型,近壁处湍流采用壁面函数,采用SIMPLE算法求解速度与压力的耦合。计算获得了同时带肋和气膜孔出流的内流冷却通道在不同肋角度时的三维流场分布和气膜孔的流量系数值。结果表明同时带肋和气膜孔出流的通道流场结构比较复杂,肋在通道中诱发的二次流改变了气体在进入气膜孔时偏转角度,从而影响了流量系数值。通道中气膜孔的流量系数值随肋角度的增大而呈增大的趋势。计算结果与实验结果进行了比较,两者规律符合良好。      

燃气轮机燃烧室进气孔流量系数的数值模拟

采用数值模拟方法研究了简单平圆孔、某型燃气轮机的气膜冷却孔的流量系数与几何参数和流动参数的关系,并得到了简单的流量系数的计算公式;将得到的简单平圆孔的计算公式与实验资料和理论分析结果进行了比较,吻合的很好。还研究了当用缝隙代替冷却孔来简化燃烧室几何时如何确定缝隙的面积。计算结果表明用数值模拟来确定燃烧室进气孔的流量系数是一种可行的并且简单、有效、准确的方法。      

克努森数对气膜冷却流动换热相似特性的影响

数值模拟研究克努森数Kn对不同尺度气膜冷却流动换热相似特性的影响,选取孔径为0.3,3,10mm平板单排圆柱形气膜孔模型,计算得到模型在Kn不同与相同条件下冷却效率和孔流量系数.结果表明:Kn相同时,小孔与大孔模型流动换热特性相似,冷却效率及流量系数均吻合很好;Kn不同时,两模型流动换热特性存在一定差异,冷却效率及流量系数吻合较差.因此为在气膜冷却相似放大研究中得到准确的相似结果,需要保证小孔及大孔模型的Kn相同.      

液体火箭发动机推力室冷却通道流动与传热数值研究

采用气固耦合算法对液体火箭发动机推力室再生冷却通道的流动与传热过程进行了三维湍流流动与传热数值模拟，冷却工质为氢气，其密度、导热系数、动力粘度随着温度和压力而变化。应用大涡模拟及标准k-ε双方程模型两种湍流模型分别进行数值模拟，详细揭示了再生冷却通道固体区和流体区内的速度场和温度场，并在不同的计算网格数目下对两种湍流模型的计算结果进行了对比。结果表明，在相同的网格条件下，标准k-ε双方程模型与实验数据的吻合精度比大涡模拟模型更好，且满足工程计算精度。随着网格数的增加，大涡模拟的计算精度逐渐得到改善。     

DLR-F6翼身组合体的高阶精度数值模拟

基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和结构网格技术,采用五阶空间离散精度的加权紧致非线性格式(WCNS)和剪切应力输运(SST)两方程湍流模型,开展了DLR-F6翼身组合体的高阶精度数值模拟研究。主要目的是确认WCNS模拟跨声速典型运输机构型的能力。采用粗、中、细3套网格开展了网格收敛性研究,从气动特性、压力分布、表面流态等方面研究了网格密度对DLR-F6翼身组合体气动特性的影响;采用中等网格开展了来流迎角对气动特性的影响研究。通过与试验数据、CFL3D软件和TRIP软件计算结果的对比,表明网格密度主要影响激波位置和压差阻力系数,同时对翼身结合部分离区大小有一定影响;采用高阶精度计算方法显著提高了气动力系数的模拟精度,力矩系数数值模拟结果与试验的差异有待进一步分析。     

湍流模型离散精度对数值模拟影响的计算分析

基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和结构网格技术,采用五阶空间离散精度的加权紧致非线性格式(WCNS),通过改变物面法向第一层网格间距,开展了剪切应力输运(SST)两方程模型不同离散精度的数值分析。主要目的是为高阶精度格式在复杂外形上的应用提供技术支撑。计算模型包含了低速NLR 7301两段翼型和高速RAE2822翼型,研究内容主要包括湍流模型的二阶精度离散和五阶精度离散两种方式对收敛历程、边界层湍流黏性系数分布、边界层速度分布、压力系数分布以及气动特性的影响。在与试验数据对比的基础上,计算结果表明:对于不同的第一层物面法向网格间距,湍流模型离散精度对低速绕流计算结果有比较明显的影响,对于高速小迎角附着流动计算结果影响不明显;相对于湍流模型二阶精度离散,湍流模型高阶精度离散网格敏感性较弱,具有更高的数值模拟精度,但收敛性略差。     

CRM翼身组合体模型高阶精度数值模拟

基于五阶空间离散精度的WCNS格式,开展了CRM翼身组合体模型的高阶精度数值模拟,以评估WCNS格式对复杂外形的模拟能力以及典型运输机巡航构型阻力预测的精度。首先依照DPW组委会提出的网格生成指导原则,利用ICEM软件生成了粗、中、细、极细四套网格,网格规模从"粗网格"的2 578 687个网格点逐渐扩展到"极细网格"的65 464 511个网格点。研究了设计升力系数下,网格规模对气动特性、压力分布和翼根后缘局部分离区的影响,采用"中等网格"开展了抖振特性的数值模拟研究。通过与二阶精度的计算结果、DPW V统计结果和部分试验结果的对比分析,高阶精度数值模拟结果表明,阻力系数计算结果与DPW V统计平均结果吻合较好;网格密度对机翼上表面的激波位置和翼身结合部后缘局部分离区略有影响;迎角为4°时,升力系数下降的主要原因是机翼上表面激波诱导分离区和翼身结合部后缘局部分离区的增加。     

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。     

应用Transition k-kl-ω转捩模型对内冷叶片气热耦合的数值模拟

选取NASA-Mark Ⅱ跨声速叶片为算例,研究了Transition k-kl-ω转捩模型在内冷叶片气热耦合计算中的应用,探讨了整场耦合与冷却通道内采用对流换热系数准则耦合的差异。结果表明,该转捩模型相比其它全湍流模型能够更准确预测附面层内的层流和转捩状况;由于Transition k-kl-ω转捩模型转捩前期采用层流动能来描述扰动的发展,避免了使用含有来流湍流度的经验公式,引入了"分裂机制"来描述层流与湍流脉动间的相互作用,并且在旁路转捩和自然转捩源项模化中加入了Tollmien-Schlichting波的影响,对强激波后的温度计算相比常用的间歇因子转捩模型与实验值更吻合;换热系数准则耦合用于冷却通道传热计算,避免了冷却通道边界条件带来的误差,计算结果与实验吻合较好,更易于工程应用。     

改进的VOF方法对气液两相流振荡流动和传热计算的影响

在VOF(volume of fluid)模型的基础上,引入level set函数,形成CLSVOF(coupled level set volume of fluid)模型对气液两相流的振荡流动和传热过程进行数值模拟,与只采用VOF模型模拟的结果进行对比分析,并与实验结果相比较.结果表明:无论是针对矩形空腔中两相流的振荡流动和传热,还是活塞冷却油腔中机油的振荡冷却过程,采用CLSVOF模型都可以更为准确地模拟气液两相流的振荡流动规律,传热系数计算值也与实验结果保持了更高的一致性.对于活塞冷却油腔中机油的振荡冷却计算,随着转速即雷诺数的增大,传热系数计算值的误差开始增大.在极限转速3000r/min时, CLSVOF模型的误差为3.8%,VOF模型的误差为7.5%, CLSVOF模型的误差增幅稳定在0.6%左右.CLSVOF模型的误差较小且误差增幅稳定,说明其计算准确性更高.      

源项冷却模型的建模以及在平板和涡轮的应用

为了解决由于划分冷气腔和尺寸过小的多排气膜冷却孔导致网格量过大的问题,本文基于NUAA-Turbo平台,在气膜冷却孔出口处建立适用于变比热条件下的源项冷却模型来代替冷却气体从孔内流出,并且在孔内建立换热模型,用于模拟孔内的对流冷却。对气膜冷却平板算例气动研究发现:在吹风比为1.0时,计算值与试验值相吻合。而对吹风比为1.5的孔下游近壁处计算时,发现流向速度计算值与试验值存在11.1%的误差,但小于商用软件44.4%的误差,尽管发现优化后的源项冷却模型不能很好反映下游近壁处法向速度分布,但计算精度在商用软件源项冷却模型基础上有25%的提高。为了证明该方法的可行性,对气冷高压涡轮MT1导叶的等熵马赫数以及平均努塞尔数等相关实验数据与计算数据作了对比,研究发现:在吸力面和压力面计算值与试验吻合较好,而在无冷却气膜覆盖的叶片尾缘和叶片前缘等局部位置计算值与试验值存在误差。研究表明:优化后的源项冷却模型能够较为准确地模拟冷却射流的宏观特征,该方法对工程上气冷涡轮的设计有一定的应用潜力。     

气膜冷却涡轮导向叶片流场数值模拟

本文采用三维定常数值方法计算了某气膜冷却涡轮导向叶片流场。叶片的气膜冷却流动运用了源项模拟方法。将每排气膜孔用槽缝代替。计算的导叶能量损失系数和出口气流角与试验数据吻合良好。     

离心压缩机密封及空腔流动的一维/三维耦合建模研究

为了在保证数值预测精度的同时降低离心压缩机的建模复杂度,以一维密封泄漏计算替代完整的密封及空腔建模,开展了离心压缩机盖盘密封及空腔流动的源项建模方法研究。结果表明:基于源项方法的密封及空腔简化建模仅需在主流道建模基础上施加泄漏质量流量、总温和摩擦损失源项边界条件,即可较高精度地还原完整的盖盘密封及空腔建模的性能和关键流动细节。与完整建模相比,在全工况下源项建模预测的等熵效率的绝对偏差小于0.65%,总压比和等熵效率的相对性能偏差小于1%。该方法可在满足下游部件匹配设计精度需求的同时,减少50%以上的网格数量,并显著提高计算的经济性和收敛性。泄漏流量的计算精确度是影响源项建模法性能预测准确性的最关键因素,耦合建模可以采用一维计算中推荐的密封泄漏系数值。      

轻型燃气轮机燃烧室NOx 排放估算

为了解决NOx排放预估问题,应用数值模拟方法研究轻型燃气轮机燃烧室NOx排放规律。将数值分析结果与文献中经验公式计算数据进行比较与分析,验证数值方法的准确性;基于进口压力、空气质量流量、主燃区温度3个参数拟合NOx排放预估公式。结果表明:数值模拟得到的NOx排放值与文献中经验公式计算出的符合度较高;结合数值计算结果得到的NOx排放预估公式;该公式能有效反映上述3个参数对NOx排放的影响;采用验证后的高精度数值模拟方法建立的NOx预估模型所得结果具有一定的科学性及可靠性,并可降低试验成本。     

有限差分法的坐标变换诱导误差

有限差分法应用于具有复杂外形的网格时需要进行坐标变换,在此过程中经常会引入坐标变换诱导误差。在柱坐标系下使用均匀网格进行均匀流场计算,计算结果表明,即使物理坐标对计算坐标的变换函数连续可导、计算过程中坐标变换系数直接采用准确的解析式、网格完全正交并且充分光滑,也无法避免坐标变换诱导误差。理论分析表明,产生坐标变换诱导误差的机理是笛卡尔坐标系下的守恒型欧拉方程变换至贴体坐标系下后增加了源项。针对该问题,目前国内外学者通常采用几何守恒律,构建与差分格式相匹配的坐标变换系数计算方法来消除源项。本文介绍了从包含源项的离散等价方程基础上直接进行离散的新算法,在此基础上针对非等距网格条件下MUSCL类格式重构过程进行误差分析,理论推导表明重构中需要考虑非等距插值公式的影响系数,将变量转换至计算空间内进行MUSCL重构才能保证该过程具有均匀网格下的插值精度。通过理论分析及数值实验证明新算法对于均匀流场完全不会引入坐标变换误差。     

浸入式贴体网格边界方法

提出一种基于重叠网格的浸入式边界方法,用以模拟复杂的三维黏性跨声速流动。该方法采用一套固定的笛卡儿正交网格,用以主流的求解;采用一套可以移动的贴体等距面网格,用以拟合或者离散物面的作用力,通过空间插值,实现两套网格重叠部分的信息传递。分析了浸入式贴体网格边界方法的优势,介绍了贡献单元的寻找策略和物理通量的插值方法。流场求解采用Spalart-Allmaras带湍流模型的Navier-Stokes方程组,其中对流项采用流通矢量分裂和5阶WENO(weighted essentially non-oscillatory)-Z格式离散,黏性项采用6阶中心差分格式离散,时间项采用龙格库塔显式格式离散。数值验证算例表明:该方法具备高于4阶的空间求解精度,并适用于刚体动网格非定常流场模拟,且无需更新网格形状。等距面贴体网格生成过程简单,避免了繁琐的人工调节过程,与笛卡儿网格结合,可提供足够的壁面附近网格密度,同时有效减少了网格总量需求。