高位预旋进气转静盘腔换热实验

将某型发动机的涡轮盘腔结构简化成高位预旋进气的转静盘腔模型, 结合热色液晶先进测温显示技术, 通过实验的方法研究了转静盘间距、进气流量、旋转雷诺数以及旋流比等参数的变化对冷气降温效果和转盘换热效果的影响.实验结果表明:高位预旋进气对转盘外缘的冷却效果较好, 转盘上的温度分布呈现为同心圆形状;随着旋转雷诺数和转静盘间距的增大或者进气流量的减小, 冷气的总温降减小, 气流对转盘的换热效果变差.      

预旋进气位置对转静盘腔换热影响的数值研究

对具有不同预旋进气位置的转静盘腔内的换热进行了数值模拟.在进气流量恒定的条件下, 改变预旋孔在静盘上的径向位置, 研究了旋转雷诺数、预旋角、转静盘间距等参数对进出口气流的无量纲总温降和转盘换热效果的影响.研究表明:旋转雷诺数的增大和转静盘间距的减小都能够增强气流对转盘的换热效果;当预旋孔的径向位置增大时, 无量纲总温降和转盘表面的平均努塞尔数都是先增大后减小, 预旋孔存在一个最优的径向位置.      

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。      

预旋进气小尺寸涡轮叶片冷却的流场研究

为了了解和掌握一种具有直通式冷气预旋进气系统的小型燃气轮机涡轮转子叶片的流场,在旋转雷诺数Reθ=4.66×106和冷却空气的无量纲质量流量Cw=1750时改变预旋角θ的大小,使其在15°～90°变化,通过数值研究得到了预旋角对涡轮盘腔、连管和涡轮叶片内冷却空气的流动以及叶栅通道中燃气的流动的影响。结果表明:(1)预旋角的变化会改变涡轮盘腔、连管和涡轮叶片冷气进口附近局部区域的流场,但是对涡轮叶片内其它区域和叶栅通道中的流动基本没有影响。(2)随着预旋角的增大,涡轮盘腔内预旋进气冷气射流的轴向穿透深度先增大后减小;当θ<45°时冷却空气沿外围屏流向转盘接收孔,而当θ>45°时冷却空气沿内围屏流向转盘接收孔;气流的周向速度随着预旋角的增大而减小。(3)垂直进气时连管内存在多个回流区和很大的涡流,流动损失较大,而采用预旋进气能够减弱或消除这些流动结构,存在最优预旋角θopt,θopt≈45°,此时连管的有效流通面积最大。     

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。      

高转速转静盘腔流动换热相似性数值研究

为了得到高转速转静盘腔流动换热实验中的相似准则,在定几何、变物性、可压缩和有耗散的情况下,对转静盘腔中的控制方程进行无量纲化,得到了除无量纲位置外的8个无量纲准则数.并以高转速转静盘腔模型为基础,采用数值方法对影响发动机工况(高温)和实验工况(常温)换热相似性的主要无量纲准则数进行了研究.研究表明:流动雷诺数、旋转雷诺...     

预旋进气转-静盘腔中的流动和传热数值研究

采用计算流体动力学(CFD)软件CFX5.7对预旋进气旋转盘腔中的流动和传热过程进行了全三维数值模拟.对4种工况进行了计算,计算结果与试验结果吻合较好,验证了所采用方法的计算精度,并分析了旋转雷诺数、无量纲切向速度、预旋比对流场结构、传热的影响.      

对转盘腔换热特性数值研究

航空发动机中对转涡轮设计使得对转盘腔内冷气的流动和换热问题被关注。为探究对转盘腔的换热特性及其影响因素,对几何简化后的中心进气对转盘腔模型进行流-热-固耦合数值模拟。结果表明:下游盘换热效果强于上游盘;冷气流量的增大对两盘换热均有显著增强作用,当流量增加一倍时平均努赛尔数升高幅度超过70%;轮盘转速的提高只会增强转速改变轮盘的换热,对另一个转速不变轮盘的换热影响不大;在间隙比G=0.1～0.4,两盘间隙的减小增强上游盘的换热,对下游盘换热影响不大。     

中心进气转静盘腔一维流动模型的改进

采用数值模拟方法,对动盘面边界层夹带流量进行分析,以改进转静盘腔一维流动模型的计算精度.结果表明:边界层速度分布的1/7幂律假设低估了自由盘边界层夹带流量,从而影响了一维流动模型对源区边界的计算精度;传统的关联式未能有效地归纳不同工况下转静盘腔内动盘面边界层夹带流量,从而影响了一维流动模型对核心区气体转速的计算.通过归纳数值模拟结果中的自由盘和转静盘腔内动盘面边界层夹带流量,对传统一维流动模型中源区边界及核心区气体转速的计算提出修正,并对修正后的一维流动模型进行实验验证,表明该修正明显改进了一维模型对腔内径向压差的计算精度.      

典型进气函数下转静盘腔瞬态响应特性研究

为研究航空发动机转静盘腔非稳态流动的瞬态响应特性,建立了转静盘腔CFD计算模型,采用基于Fluent用户自定义函数(UDF)编程的非稳态数值计算方法,分别研究了进口压力以阶跃函数、斜坡函数和正弦函数变化时转静盘腔的瞬态响应特性,并提出了相应的瞬态响应特性评价指标。结果表明:不同进气函数下的转静盘腔瞬态响应特性存在明显差异,同一进气函数下盘腔中各流动参数的瞬态响应存在不同程度的滞后。阶跃函数的无量纲跃升幅值由1.025变化到1.3时,盘腔平均总压的响应时间增加了3369.2%;斜坡函数的斜坡时间由0.01s增加到0.16s时,盘腔平均总压的响应时间增加了163.9%;而正弦函数的角速度由22rad/s变化到55rad/s时,盘腔平均总压的响应时间缩短了45.6%。不同进气函数下转静盘腔平均总温随时间的变化曲线均呈现出明显的过冲现象,其峰值时间和超调量变化规律与进气函数类型密切相关。     

大涵道比涡扇发动机TPS短舱低速气动特性分析

为了评估民机低速带动力试验时进排气效应的影响,选取大涵道比发动机涡轮动力模拟器(TPS)短舱和真实发动机短舱作为研究对象,采用数值模拟方法对其起飞、进近状态的低速气动特性进行对比分析。结果表明:由于TPS流量低于真实发动机需求,其唇口、外罩流场特征和真实发动机短舱有所不同,阻力特性也有差别;在进气道处于亚临界状态时,TPS短舱阻力系数比真实短舱大了约1.7个阻力单位,又由于唇口当地气流攻角更大,使得TPS短舱失速攻角相对降低了约1.0°;当进气道工作于超临界状态时,TPS短舱虽然也可以反映真实短舱的流动特性,但由于捕获流管收缩情况和气流驻点随攻角的变化,使得在0°~20°攻角时TPS短舱的阻力系数高于真实短舱,而在20°~30°攻角时其阻力系数略低,差量最大约为1.8个阻力单位。对于研究的大涵道比发动机,未经唇口及外罩修正的TPS短舱其低速气动特性基本可以反映真实进排气效应的影响,但在气动特性分析中可以考虑进一步修正进气效应的影响。     

涡轮导向叶片综合冷却效率实验研究

为了研究流动参数对涡轮导向叶片综合冷却效率的影响,采用红外热像仪对叶片表面的温度分布进行了测量,得到了叶片的综合冷却效率随流量比、温比、主流进口雷诺数和湍流度的变化规律。实验过程中,次流与主流的流量比分别为0.15,0.18,0.20,0.22和0.24;主次流温比分别为1.4,1.7,1.93和2.2;主流进口雷诺数分别为1.0×10~5,1.1×10~5,1.2×10~5,1.3×10~5和1.4×10~5;主流进口湍流度分别为0.506%,8.156%,14.92%。结果表明,综合冷却效率在前缘处最低,沿流向逐渐升高;增大流量比会显著提高叶片的综合冷却效率,在温比为1.93时,流量比由0.15增大至0.24,综合冷却效率平均增加29.3%;温比和主流进口湍流度的增大均不利于综合冷却效率的提升,流量比为0.20时,温比由1.4增大至2.2,综合冷却效率平均下降46.5%,湍流度由0.506%增大至14.92%,综合冷却效率平均降低15.5%;主流进口雷诺数对叶片综合冷却效率的影响很小。     

滑油射流冲击旋转壁面的流动换热数值模拟研究

为研究射流流速与发动机转速对轴承腔旋转壁面冷却效果的影响,采用数值模拟方法研究了滑油射流冲击旋转壁面的流动与换热特性,重点关注和分析了中高转速下射流雷诺数Rej和旋转雷诺数Reω对于滑油流动和壁面整体及局部传热的影响。为体现不同工况对壁面换热的影响,分别采用了壁面平均传热量、壁面努赛尔数、局部平均努塞尔数进行了综合换热分析。研究结果表明,随着射流流速增加,壁面附着油量增多,壁面平均传热量与局部换热分别增加约32%和40%;而随着壁面转速增加,壁面附着油量下降,壁面平均传热量减少约13%,局部换热增加约62%。     

透平进气阀箱的数值模拟

用数值方法模拟了透平进气阀箱的内部流动。为了改善计算的收敛性和提高计算精度,程序采用了ＳＩＭＰＬＥＳＴ迭代求解方法,并引入ｋ－ε湍流模型、壁面函数法和空度的概念进行了数值计算。计算结果表明,本文的方法能够较好的模拟进气阀箱内部复杂的流动,并与已有的一些实验结果吻合良好。     

带有微型涡轮的旋转盘腔局部换热特性

对带有微型涡轮的转-转系涡轮盘腔进行了换热试验。微型涡轮的主要作用是使冷气通过上游涡轮盘的反旋喷嘴推动涡轮盘转动,从而降低气流的总焓,同时改变气流的旋转速度,形成更好的冷却环境。试验采用热膜加热、热电偶测温和遥测仪采集数据的方法进行,上下游转盘同时加热。试验结果表明：随着无量纲质量流量、旋转雷诺数和浮升力的增大,努赛尔特数增大,换热效果增强。这为进一步的数值计算和优化提供了依据。     

二维涡轮级的定常/非定常数值模拟

为了解定常与非定常计算差别对工程应用参考价值的影响,本文通过求争二维Navier-Stokes方程,针对一级涡轮叶栅分别进行了定常／非常数值模拟。结果发现,对于叶片表面压力分布,第一排导叶定常计算与非定常计算得到一致的结果,但是在动叶上差别较大,尤其在叶排小间距时。当叶排间距拉大后,定常计算结果趋近于非定常计算结果时间平均值。     

冲压发动机进气道压力振荡过程的数值研究

针对来流马赫数3.5,0°迎角飞行条件下冲压发动机的简化模型,数值模拟了进气道整流罩开启过程的非定常流动。计算采用AUSMPW有限体积格式,基于结构与非结构的混合网格技术,求解了非定常N-S方程。计算结果表明,在进气道整流罩打开以后,超声速气流会在燃烧室通道内形成振幅衰减较慢的低频剧烈振荡。在同样计算条件下采用Euler方程进行对比性研究,数值实验发现对这类大雷诺数、强非定常性的问题,Euler方程和N-S方程得到的结果相差不大。     

上端壁翘曲对涡轮叶栅流场的影响

利用N－S方程求解程序,对采用不同端壁结构的三套大转角涡轮叶栅进行了数值模拟,探讨了上端壁翘曲对涡轮叶栅内气流流动的影响。计算结果表明,上端壁翘曲后,上半翼殿内的二次流流场发生了明显的变化,非轴对称端壁是控制叶栅内二次流流动的一种有效的方法。     

旋转冲压增程弹进气道内流场旋流数计算

为了研究高速旋转对冲压增程弹进气道的影响,对零攻角下旋转弹丸进气道入口与出口旋流数进行了理论推导,得到了旋流数的解析计算式。为了检验理论分析各项假设的合理性,并对旋流数解析式的误差进行分析,使用数值模拟的方法对某双锥进气道的流场进行了计算。分析发现,冲压弹丸进气道前方来流旋流数很小,因此旋转对进气流量影响很小;理论解析式计算所得进气道出口旋流数比数值计算结果偏大,且背压越低偏差越大;普通旋转冲压弹丸进气道出口旋流数低于0.2,由于在此弱旋流进气条件下,固体燃料冲压发动机工作状态与直流进气状态接近,因此弹丸的旋转对冲压发动机工作影响较小。     

总收缩比对RBCC进气道影响数值研究

为研究火箭基组合循环发动机（Rocket Based Combined Cycle,RBCC）进气道隔离段内激波串传播规律,利用数值模拟研究分析了在高、低反压作用下总收缩比变化对激波串驻留位置及流动分离区范围的影响,并进一步开展了总收缩比对进气道气动性能影响的仿真研究。研究结果表明：在承受额定反压作用下,进气道总收缩比存在临界值,在临界值下提高总收缩比能显著增强进气道抗反压能力,并影响激波串驻留位置。在临界值上提高总收缩比对进气道抗反压能力无明显作用,进气道流动状态不受总收缩比变化的影响。此外,提高总收缩比能显著提高被捕获冲压空气流所承受的压缩程度,但会承受额外的空气流量损失和气动阻力。