气冷涡轮导叶流热耦合计算及机理

针对气冷涡轮叶片的多场耦合特性，利用流热耦合（CHT）方法，对采用不同气冷结构的高压涡轮导叶进行数值模拟。在内冷涡轮导叶算例中，对比实验数据选取精度较高的流热耦合计算方案，分析该内冷涡轮导叶的多场特性及耦合机理。在此基础上，以带有气膜冷却孔及内冷通道的气冷涡轮导叶为研究对象，重点围绕冷却射流与主流的相互作用，讨论近壁边界层中流热耦合关系及气冷效率影响因素等相关问题。结果表明:采用流热耦合计算方法及合适的湍流转捩模型有利于提高数值精度；气冷涡轮导叶的流场温度场密切耦合，流动换热特性互相影响；冷气射速低时，增加冷气流量可提高气膜冷却效率，冷气量达到一定值时，冷气流量增加将导致气膜冷却孔后上游冷却效果变差，下游冷却效果变好；冷气射速较高时，将与主流相互作用产生复杂流动结构（如肾形涡、马蹄涡等），对温度分布存在一定影响。      

涡轮叶片尾缘复合冷却通道换热的数值模拟

用数值模拟的方法对一种典型的涡轮叶片尾缘冷却结构进行了数值计算,该冷却结构由横肋通道和交错扰流柱排构成.通过对不同进气雷诺数的计算结果分析可以看出:对所研究的冷却结构,扰流柱通道顶部及底部这两处冷气流速较高的区域的换热系数也比较高,温度较低;尾缘冷气出流孔处的换热系数也比较高;但扰流柱区的中部则由于冷气量明显不足导致明显的换热系数降低.      

涡轮叶片导管快速建模

导管是涡轮叶片冲击冷却的核心部件。为实现复杂冷却结构叶片导管的快速建模,提出了创成式导管快速建模方法。首先应用截形法构建适应叶片内腔几何形状的管身截面线以创建管身,然后应用截交包络裁剪法与特征等弧长阵列方法保证了导管冲击孔与导管突起的建模稳定性与建模效率,并构建了突起定位迭代公式,保证了导管与叶片内腔的配合精度。最后采用UG Open API工具开发了导管快速建模程序,验证了所提方法的可行性。      

带气膜出流叶片前腔内表面冲击换热数值模拟

采用数值模拟方法对不同雷诺数下静止状态涡轮叶片前腔带气膜孔出流的冲击流动与换热特性进行了研究.分析了叶片前缘冲击流动产生的不同涡团对其内表面换热的作用机理.计算结果表明:相同雷诺数下,叶片前缘内表面气膜孔附近的换热强化比高于通道的平均值.随着雷诺数增加,换热强化比有所提高.冲击流动与通道流动耦合而形成的波浪形涡区,极大地扩展了冲击强化换热区域.气膜孔出流的抽吸作用对冲击流产生影响,进一步扩大了冷却空气在前缘内表面的覆盖范围.气膜腔叶根处纵向截面的涡团阻碍了冷气向叶根方向扩展,降低了冷却效率;而横向截面的涡团则促进冷气与壁面热气的掺混,提升了换热效果.      

复合弯扭涡轮叶片尾缝的快速建模

尾缝是涡轮叶片中的重要冷却结构.为解决复合弯扭叶片尾缝的精确建模问题并提高其建模效率,提出了包含尾缝工具体创建和尾缝窗口创建过程的创成式尾缝快速建模方法.首先通过叶身内外型截面线自动匹配算法、叶盆叶背曲线方位判断算法,创建具有和叶身相同或相近弯扭状况的尾缝工具体.之后借助自定义的数据结构记录各组尾缝窗口信息,创建多组不同规格的尾缝窗口,完成尾缝建模.最后使用UG Open API工具开发了尾缝快速建模程序,并通过实例验证了所提出方法的可行性.      

冲击与气膜的组合形式对冷却效果的影响

通过数值模拟,研究了涡轮叶片弦中区所采用的新型双层腔冷却结构的冷却特性,系统分析了冲击与气膜的组合冷却流动换热的机理,讨论了冲击孔与气膜孔的组合形式对组合冷却效果的影响.计算参数范围是:吹风比M=0.6~2.0,冷气进口雷诺数Re=2000~5000.计算结果表明:①气膜孔与冲击孔的位置及其排列方式对双层腔结构的冷却效果的影响是非常明显的,且存在一个最佳的组合冷却形式;②在狭小的封闭空间内,冲击靶面的努塞尔数分布呈明显的双峰结构,冲击滞止点处于两个峰值之间的峰谷.      

基于μCT图像的PVC泡沫微观试样几何模型生成算法

在泡沫微观结构的数值模拟中，泡沫空腔的几何特征和排列状态对计算效率及计算结果有着重要的影响，基于前进面搜索几何构造算法和Laguerre划分算法，提出了一种新的PVC泡沫微观试样几何模型生成算法。从μCT扫描图像重构泡沫的真实几何模型，测量泡沫空腔的几何特征及体积分布规律，将测量得到的泡沫空腔体积转化为球体，并通过前进面搜索几何构造算法投入空间，通过Laguerre划分算法将空间球体进行区域划分，赋予壁厚参数，构建出闭孔PVC泡沫的微观几何模型。所建立的模型在微观几何特征上与实际材料符合较好。      

动静干涉对涡轮转子叶片气膜冷却的影响

为研究动静干涉对涡轮转子叶片气膜冷却效果的影响,选取AGTB涡轮叶栅作为研究对象,匹配前排导叶并对整级叶栅进行非定常数值模拟。对不同时刻流场截面的流动情况以及叶片表面温度随时间的演化规律进行了详细的分析,此外,总结了尾迹和势干涉对下游叶片气膜冷却的影响。主要结论如下:导叶强烈的势干涉作用在幅值为12°的范围内改变下游叶片的入射角,对冷却射流有非常大的影响;尾迹和势干涉作用诱导冷却射流的"上扬"现象,并使其冷气流量增加20%以上,有利于提高瞬时的冷却效果;势干涉对前缘冷却射流的作用时间约为1/2个静子周期,尾迹的作用时间约为1/6个静子周期,前者作用时间长,且效果更强。受到输运效果的影响,整个叶片冷却效果的变化与气膜孔射流状态的变化不是同步的,滞后时间可达1/3个静子周期甚至更长。      

旋转状态下气膜冷却模型的数值模拟

通过对带有90°倾角圆柱形交错孔排的涡轮叶片模型进行数值模拟,得到了不同主流雷诺数、旋转数和吹风比情况下前缘面与后缘面侧的气膜冷却流动与换热特性及各气膜孔流量系数的分配规律.结果表明,冷气受到离心力与哥氏力的共同作用向高半径处发生偏转,导致壁面冷却效率降低;雷诺数的增大会削弱气膜冷却效果,高吹风比则不利于气膜孔下游区域的冷却.各气膜孔的流量系数随吹风比的增大而增大,随旋转数的提高而减小.在后缘面侧,相同工况下各气膜孔的流量系数明显高于前缘面侧对应气膜孔的值.      

旋转状态下涡轮叶片前缘的流动与换热

用数值模拟的方法对旋转状态下涡轮叶片前缘冷却结构进行了数值研究,该结构由进气腔、叶片尾缘块和前缘块构成,对此结构不同的旋转速度情况进行了计算,根据计算结果分析了旋转对涡轮叶片前缘流动与换热的影响.计算结果表明,旋转状态下带气膜出流的冲击流动中,前尾缘冲击面的换热随着转速的增加而减小,且尾缘冲击面的换热比前缘冲击面的换热要好;同时前尾缘冲击面换热的差别随着转速的增加将越来越小.     

涡轮叶片微小通道气膜新型复合冷却结构设计

利用数值模拟的方法,研究了一种应用于涡轮导向器叶片的微小通道气膜新型复合冷却结构.重点是对微小通道和气膜孔的新型复合冷却方法进行结构设计并进行结构优化,探讨不同的冷却结构形式对流动和换热的影响.研究表明:不同的复合冷却结构对冷却效率和压力损失的影响不同;在所设计的几种复合结构中,分枝小通道结构在平衡冷却效率和压力损失方面有着较好的效果;所计算的几种复合结构的结果都显示,微小通道气膜新型复合冷却结构的冷却效率高于铸冷叶片的冷却效率,冷却效果好,具有巨大的应用前景.     

涡轮叶片尾缘复合通道的换热

采用热色液晶测温法,测量了涡轮叶片尾缘带隔板的复合通道的温度场,分析了射流冲击强化扰流柱通道内换热的机理,讨论了两通道间隔板的不同开孔结构对换热的影响.从工程应用的角度出发提出了几个换热评价指标,对不同开孔结构的隔板进行了换热评价.结果表明:冷气由第1通道进入,通过隔板上的孔不断由径向流动变为弦向流动后,对第2通道的扰流柱区形成冲击,最后由劈缝排出,提高了尾缘的换热;开孔均匀的隔板换热效果相对较好.     

基于神经网络的带肋回转通道换热性能的预测

在对带有不同肋间距和肋高的直肋变截面U型通道的换热性能进行了实验研究的基础上,分单元处理了数据,并采用经过LM(Levenberg-Marquardt)算法和贝叶斯正则化方法改进的基于BP(Back-Propagation)算法的前馈神经网络对数据结果进行了建模,实现了对带直肋的变截面U型通道换热性能的预测,实践证明,人工神经网络ANN(Artificial Neural Network)方法可以用于航空发动机涡轮叶片内通道换热性能的预测,并且其预测精度明显高于非线性拟合.