涡轮级内湍流度影响的非定常数值模拟

通过求解二维雷诺平均Navier-Stokes方程，数值模拟了不同进口湍流度下的涡轮级中的非定常流场及温度场。结果表明，增大湍流度对叶栅通道内时均压力分布影响很小，但是对涡轮级中的温度分布会产生很大影响，当涡轮进口有热斑存在时，增大湍流度将会使热斑中的热流体温度扩散更快，从而叶栅通道中的温度场分布趋向均匀，同时动叶压力面侧与吸力面侧的时均温度差别减小，沿动叶统长方向上的温度分布也更平缓。     

进口热斑对涡轮级影响的非定常数值模拟

通过求解二维N-S方程对涡轮级进口有温度畸变时的流场和温度场进行了非定常数值模拟。由于叶排间的相互运动,使叶片表面压力和叶栅通道内的流场呈周期性地变化;当涡轮进口有热斑时,热斑中的气流总温要高于周围气流温度,在通过涡轮级时,热斑中的高温气流会向转子压力面上迁移,导致转子压力面上产生热点。热斑的存在对涡轮级中的压力分布影响很小,但是严重影响温度场的分布。同时进口热斑相对导叶的位置对叶片表面温度的分布也有很大影响。      

叶栅二次流旋涡结构与损失分析

采用三维粘性程序对某型动力涡轮的第一级进行了数值模拟, 模拟结果捕捉到了该涡轮级叶栅的内部流的流动细节, 展示了涡轮叶栅端壁和型面流动及叶栅通道内的三维流动结构.通过对叶栅中的二次流现象和流动损失机理的分析, 揭示了该涡轮级叶栅通道内二次流旋涡结构(马蹄涡、通道涡、壁角涡、尾迹涡、泄漏涡等)的演变过程, 以及旋涡结构对损失分布的影响.      

燃烧室涡轮交互作用尺度自适应模拟

为了揭示燃烧室涡轮交互作用机理,采用尺度自适应模拟方法对某航空发动机燃烧室和燃气涡轮开展了跨部件联合数值模拟研究,分析了燃气涡轮导叶对燃烧室内部流场和温度场的影响、燃烧室出口速度分布和热斑对涡轮气动和传热的影响。结果表明:尺度自适应模拟方法在预测燃烧室和燃气涡轮部件性能方面具有较高精度,并能有效捕捉燃烧室及涡轮流道中的复杂涡系结构。同时,涡轮对燃烧室内部速度场的影响一直可以回溯至导叶上游0.3倍弦长的距离,燃烧室出口速度分布对涡轮内部流动、热斑对燃气涡轮导叶及动叶绝热壁温均有较大影响。      

轴流涡轮基元级静叶稠度特性的数值研究

针对不同静叶稠度(静叶叶片数)的轴流涡轮基元级进行了非定常数值模拟,研究了静叶稠度对涡轮基元级流动状态和损失情况的影响.结果表明静叶稠度的改变对涡轮基元级流动状态和损失的影响直接与动叶稠度相关.静叶稠度的改变影响通过涡轮基元级的流量,在动叶稠度不变时,会引起涡轮基元级反力度的改变.静叶稠度增加到一定程度时,会使气流在静子中的膨胀加速过于剧烈而产生激波损失及激波与边界层干涉带来的边界层分离损失.静叶稠度减少到一定程度时,会使转子中的流动状态极大恶化,进口极大的负攻角致使动叶压力面发生大范围的分离.存在一个最佳的静叶稠度,使涡轮基元级的损失最小.      

叶顶间隙对多级轴流涡轮气动特性影响的非定常数值计算

涡轮叶顶间隙对其气动特性产生非常明显的影响,为了研究叶顶间隙对涡轮效率以及叶片温度场分布的非定常影响,采用非线性谐波法对多级亚声速轴流涡轮进行了非定常数值计算,与实验结果进行对比后发现,对于本文研究对象,4阶次谐波是考虑计算成本与计算精度的优化值;R1叶顶间隙由0.5%叶高增大至1.5%叶高,涡轮效率降低了0.44%,R4叶顶间隙由0.5%叶高增大至1.5%叶高,涡轮效率降低了0.76%;叶片高温主要集中在近叶顶区域,尾缘温度梯度变化最为剧烈;叶栅级间干涉效应导致高温区温度的周期性波动,温度波动幅值不受叶顶间隙高度的影响但波动区间随间隙增大而升高,静叶相对动叶温度波动幅值较大,S2温度波动保持在11K左右。     

高压涡轮封严冷气对主流气动性能的影响

为研究涡轮轮毂封严结构的加入对高压涡轮主流流动的影响,运用数值模拟方法,对无封严冷气喷入的原型和四种封严结构下一级涡轮动静叶的主流流动特性进行细致研究。为保证数值计算的准确性,进行了网格无关性分析和数值方法可靠性验证。研究结果表明:封严结构的加入会降低涡轮动叶效率和级功率,封严冷气射入主流后,冲击主流边界层内的流体,使得局部区域流动发生改变。主流在封严出口处发生流动分离,增大了静叶能量损失,同时影响静叶和动叶流道中通道涡的发展,造成动叶端区流动结构的变化并引起掺混损失。覆叠封严具有的弯曲的封严内部结构,对主流气动性能影响较弱。      

轴流涡轮基元级静叶稠度对转静干涉的影响

对具有不同静叶稠度的轴流涡轮基元级的非定常流动情况进行了数值模拟,考察了静叶稠度对涡轮基元级转子的非定常势干涉、静叶尾迹与动叶的干涉及基元级性能非定常性的影响,探究了静叶稠度对转静干涉的影响机制.研究结果表明:当静叶稠度增加时,转子的非定常势干涉在上游静子中的扰动强度增加,但衰减加快,传播范围变短;静叶稠度的改变通过引起静叶尾迹的强弱、尾迹与动叶干涉的频率和动叶通道中的流动状态的变化来改变尾迹干涉的强弱;进而通过尾迹干涉强弱的改变影响基元级性能的非定常性.      

时序效应对涡轮尾迹传递过程影响数值研究

为了研究时序效应对尾迹传递过程的影响,利用基于密度修正的求解雷诺平均N-S方程的商用CFD软件对某一1.5级轴流低压涡轮级进行了详细数值模拟。通过调整第二级导叶的周向位置来产生时序效应,结合涡轮级中湍动能分布、叶片表面剪切应力分布等来详细分析时序效应对涡轮流场的影响。结果表明：同名叶栅数量比例是影响时序效应的一个重要因素,文中时序效应对涡轮效率影响很小,涡轮最大和最小气动效率之间相差0.1%。时序效应对涡轮性能的影响主要体现在尾迹与主流之间的掺混损失和尾迹诱导的边界层转涙损失两方面。当一条进口导叶尾迹在靠近出口导叶吸力面流过通道而与其相邻的另一条尾迹通过出口导叶压力面附近时,涡轮效率最大;当一条进口导叶尾迹撞击在出口导叶前缘而另一条尾迹从出口导叶通道中部通过时涡轮效率最小。     

轴流涡轮基元级动叶稠度特性的数值研究

利用商用软件数值模拟了5个不同动叶稠度的轴流涡轮基元级的非定常流动情况,以研究动叶稠度对轴流涡轮基元级性能和流动情况的影响.通过对动叶稠度对基元级反力度、叶片进出口气流角、转子和静子中的流场及损失影响情况的考察研究,发现动叶稠度的改变对涡轮基元性能和流动情况的影响与静叶稠度存在重要关系.静叶稠度不变时,动叶稠度的改变通过影响流过涡轮基元级的流量来使基元级的反力度发生变化.当动叶稠度过大时,气流在转子中会过度膨胀加速而产生激波损失及其与附面层干涉形成的流动分离损失.动叶稠度过小时,转子进口会出现极大的正攻角致使动叶吸力面发生大范围的流动分离.静叶稠度一定时,存在一个最佳的动叶稠度,使涡轮基元级呈现最好的性能.      

热斑在1-1/2级涡轮内的非定常迁移数值模拟

对典型的1-1/2级高压涡轮叶栅,通过求解二维非定常N-S方程研究了燃烧室出口热斑对涡轮一级动叶和二级导叶流场和温度场的非定常影响。计算表明热斑的存在对涡轮级型面时均压力的影响微小,但是会显著地增大一级动叶和二级导叶型面压力随时间波动的幅度。计算印证了热斑会导致涡轮一级动叶压力面严重过热的结论,并显示在二级导叶上会出现与一级动叶类似的压力面过热现象。      

热斑迁移路径分析方法

首先进行了带进口热斑的涡轮级S₁流面非定常计算.在此基础上,通过一些假设条件,提出分段计算和积分计算两种简化的热斑迁移路径分析方法.与非定常计算结果的对比表明:这两种方法在预测热斑迁移路径上具有较高的精度,对热斑通过涡轮级的周向偏移量计算偏差在1°以内.      

出口宽高比及旋流角对双涵道S弯喷管温度分布的影响

采用数值方法研究了出口宽高比及旋流角对基于真实排气混合器构型的双涵道S弯喷管内/外流场温度分布的影响.结果显示:在圆转方弯曲构型的作用下,波瓣混合器及尾锥诱导产生的流向涡在第二弯通道及等直段内部卷吸着热流冲击S弯喷管壁面形成"热斑".在完全遮挡高温部件准则的约束下,随着出口宽高比的增加,S弯喷管壁面的"热斑"温度先增大...     

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。     

涡轮盘腔轴向封严流动的数值研究

利用数值方法研究了轴向封严结构内的燃气入侵与封严流动.研究表明:由于封严间隙处流场参数梯度较大,封严面非匹配网格影响了数值传递从而造成封严效率数值结果偏高.定常数值模拟结果低估了导叶下游静压的周向不均匀性,同时没有考虑转静干涉,所得到的封严效率较非定常结果要高.非定常计算得到的导叶下游静压周向分布与试验结果符合较好,在盘腔子午面内形成3个涡核结构,引导静盘壁面流体流向动盘以补充动盘泵效应所需流量.封严间隙内存在旋转的燃气入侵与出流结构,燃气入侵伴随较大的切向速度,封严间隙内的封严间隙涡对封严效率有积极影响,封严面上径向速度的瞬时值为时均值的3倍以上.燃气入侵受到导叶尾缘周向静压分布和转子旋转的共同影响.      

热气防冰参数对机翼表面溢流结冰的影响研究

机翼热气防冰数值模拟中,根据N-S方程求解流场,用Euler法获得水滴撞击特性,通过蒙皮导热将求解得到的内外流场进行耦合传热并达到稳定后,开始模拟结冰,来进行机翼热气防冰及形成溢流结冰的数值计算。计算结果表明,热空气防冰数值模拟是可行和合理的。采用数值模拟方法对机翼热空气防冰过程进行了模拟,得到了由于引气温度不足或机翼热空气保护面积不同而导致的不同溢冰高度和位置。分析了供气温度、防冰区域对翼面溢流冰形成的影响。结果表明：供气温度直接正向影响热交换后蒙皮表面温度。供气温度越低,溢流冰形高度越高,对气动特性影响也越大;热防护区域范围对溢流结冰结果也会产生影响,热防护区域越大,冻结位置距离驻点越远,而且冰形高度越低,对气动特性影响也越弱。     

Effects of swirl and hot streak on thermal performances of a high-pressure turbine

Advanced civil aero-engines tend to adopt lean burn combustors to meet emission requirements. The exit of a lean burn combustor experiences highly non-uniformities in both temperature (Hot Streak, HS) and flow (swirl). This paper presents a numerical investigation on the behaviors of a High-Pressure (HP) turbine under a combined effect of swirl and hot streak. The investigation was conducted on a GE-E3 HP turbine with unsteady numerical simulations, which considered the realistic clocking position of the HP Nozzle Guide Vane (NGV) relative to the combustor. The influences of swirl orientations on the HS migration and thermal performances on the blade surface were examined. Results indicate that, inside the NGV passage, the swirl’s induced incidence angle effect dominates the HS radial migration. The transversal movement of HS follows the cross flow and thus makes itself approach the Suction Side (SS) and keep away from the Pressure Side (PS) as passing through the NGV, so that HS near the SS is more influenced by the incidence angle effect than that near the PS. As for the heat transfer, swirl affects the Heat Transfer Coefficient (HTC) on the NGV’s PS and SS mainly through the incidence angle effect. Different from the NGV, the inlet swirl and HS have limited effect on the HTC on the rotor blade’s PS, while on the rotor blade’s SS, the original vortex system dominates; therefore, the inlet non-uniformities merely enhance the HTC on the SS rather than alter its distribution characteristics.     

轴流压气机转子尖部三维复杂流动Ⅱ——数值模拟研究

在实验研究和理论分析的基础上,对亚声速压气机转子尖部复杂流动做了数值模拟研究,旨在进一步深入研究叶尖间隙和进口总压分布对转子叶尖复杂流动的影响。首先通过对与实验条件相同的转子尖部复杂流动的数值模拟研究,校验了数值模拟结果,并分析了转子尖部复杂流动速度场、压力场和涡量场分布特性。然后通过改变叶尖间隙尺度和进口总压分布,研究了二者对近叶尖复杂流动的影响。研究结果表明:当叶尖间隙小于1%叶片弦长时角区旋涡的发展是导致转子失速的关键;而当叶尖间隙大于2%叶片弦长时叶尖泄漏涡的发展是导致转子失速的关键;改变进口总压分布可以合理地组织转子尖部流动并扩大转子工作裕度。此外,通过观测近叶片吸力面二维涡线的发展趋势可以判断叶尖复杂流动的发展状态。