污垢沉积影响叶片表面换热的研究

选用了两个实际透平叶片MARKⅡ静叶和某高压透平静叶,前者为光滑叶片,后者为表面覆盖有圆台的粗糙表面叶片.利用CFD数值模拟技术对叶栅流道特性和叶片表面换热分布进行数值模拟计算,数值计算结果与实验结果对比验证了数值方法的可靠性.研究表明,准确预测转捩位置和选取合适的y+值是计算叶片表面换热特性的关键,剪切应力输运(SST)转捩模型预测的结果最令人满意.在粗糙叶片表面数值计算中,对表面粗糙度模型进行验证,然后详细分析了污垢沉积对叶片表面换热的影响.结果表明:随着叶片表面粗糙度的增大,叶片近壁面湍流增强,叶片的表面传热系数增大.      

Quantification of parametric uncertainty in γ-Reθ model for typical flat plate and airfoil transitional flows

Owing to the lack of physical knowledge of boundary layer transition, the γ-Re_θ transition model introduces closure parameters, which increase the uncertainty of transition prediction. The objective of this work is to quantify the uncertainties of closure parameters in the quantities of interests and identify the key parameters. The six closure parameters in the uncertainty intervals are used as input variables, and the uncertainties of the output results are propagated by a stochastic expansion based on the point-collocation nonintrusive polynomial chaos method. The relative contribution of each parameter to uncertainty is evaluated by the Sobol index. The computational cases include natural and bypass transitional flows on zero-pressure-gradient flat plates, and subsonic and transonic flows around airfoils. For most cases, c_e2, c_a2, and c_a1 dominate the uncertainty, and the influence of σ_θt is also significant when the history effects of flow are evident. The contribution of parameters in airfoils is more complex than that in flat plates. The transonic airfoil case shows that flow separation dramatically changes the distribution of Sobol indices, which poses a challenge to the accurate prediction of transition. Generally, c_e2 and c_a2 are the key parameters of the γ-Re_θ model.     

低压涡轮叶栅流动中转捩模型的校验及改进

为评估并提高现有转捩模型的预测精度,采用计算流体力学(CFD)软件FLUENT 12.1,选取层流模型、全湍流模型、剪切应力输运(SST)低雷诺数模型、k-kl-ω模型以及γ-Reθ模型对低压涡轮叶栅T106-EIZ进行数值模拟,通过与实验数据的对比校验了后3种模型对于转捩以及相关参数的模拟能力,并对结果以及模型的作用机理进行分析,校验结果表明所有模型都不能准确地预测分离流转捩以及尾迹诱导转捩.选取预测效果较好的γ-Reθ模型进行了修正,提出通过修改间歇因子输运方程中的参数Ca1和Ca2的方法来修正该模型,结果表明该方法可以提高模拟精度.     

涡轮叶栅外换热系数计算

采用求解三维雷诺平均Navier-Stokes(N-S)方程和带转捩模型的二方程Shear stress transport(SST)湍流模型,完成了MARKⅡ,VKI两个高压涡轮导叶叶栅及一个VKI高压涡轮动叶叶栅的外换热系数计算.计算结果与试验数据的对比表明,发展的带转捩模型的数值方法明显地提高了外换热系数的计算精度.      

空心气冷低压涡轮动叶气热耦合数值模拟

以空心气冷低压涡轮动叶为研究对象,采用高质量的流体域和固体域网格控制技术,带转捩模型的双方程SST湍流模型,开展了基于CFD方法的叶片气热耦合问题研究。获得了不同冷气流量比(分别为1.0%,1.38%,1.8%和2.2%)、温比(分别为2.1,2.25,2.3,2.4和2.5)和压比(分别为1.4,1.6和1.8)对叶片换热特性的影响规律,设计状态中截面按弧长平均的叶片壁面金属温度计算值较试验值偏小0.3%,气热耦合计算的叶片壁面温度分布与试验结果吻合良好,验证了气热强耦合计算方法的精度,为涡轮叶片温度场分析提供了一种有效的方法。     

考虑转捩的跨声速气冷涡轮叶片气热耦合计算

为了研究转捩对气热耦合计算的影响,在B-L代数模型与SST(shear stress transport)k-ω二方程模型的基础上,增加了两类基于间歇因子的转捩模型:代数AGS(Abu-Gharmam Shaw)模型与一方程间歇因子输运方程.选取NASA-MARKⅡ跨声速叶片为算例,分别采用全湍流模型与加入转捩的模型进行气热耦合计算.数值计算结果与试验对比表明由于能够预测附面层中的转捩过程,采用转捩模型的耦合计算得到的结果与试验吻合最好,由于在叶片壁面附近的网格较粗,采用间歇因子输运方程的转捩模型计算的结果要逊于采用代数转捩模型的结果.      

涡轮叶栅流动和传热耦合计算

通过求解三维雷诺平均N-S(Navier-Stokes)方程和带转捩模型的二方程SST(Shear stresstransport)湍流模型,完成了带简单冷却的MARKⅡ涡轮导向叶栅流动和传热耦合计算.计算结果与试验数据的对比表明,发展的带转捩模型的数值方法明显地提高了叶栅温度和外换热系数的计算精度.同时研究发现,湍流模型对叶栅表面压力分布影响很小,而对叶栅表面温度和外换热系数影响很大;在其它边界条件相同的情况下进口湍流度对壁面压力几乎无影响,但对叶栅温度和外换热系数影响较大.      

考虑叶片径向和垂直于壁面方向导热的涡轮叶片对流冷却模型研究

为了提高涡轮叶片对流冷却模型预测精度,提出了一种在叶片固壁内同时考虑叶片径向和垂直于壁面方向(法向)导热的二维对流冷却模型。该模型在弦长方向划分多个元素,忽略元素内弦长方向叶片温度变化,在元素内的径向和法向建立二维导热方程作为叶片固壁温度场的控制方程,其边界条件包括叶表燃气绝热温度、燃气侧对流换热系数和叶片叶根、叶顶热流密度等。给出了该模型二维导热方程和边界条件的差分求解方法。以E~3涡轮高压导叶为例,将模型与CFD计算的叶片外壁面温度分布进行了对比。结果表明,该模型在给定冷气量下预测的叶片温度分布变化趋势与CFD相近,最大温度误差不超过6.5%,计算时间与CFD相比缩短了95%,能够快速、准确预测涡轮对流冷却叶片的冷气需求量。     

涡轮叶片内部通道流动换热算法改进

在使用工程计算方法对涡轮叶片温度场进行计算时,往往将叶片内流通道简化成光滑或带肋的换热管元件,容易忽略 各内流管段之间的影响,造成计算得到的叶片3维温度场与真实温度场存在较大差异。针对上述问题,为了提高对涡轮叶片3维 温度场模拟的准确度,对涡轮叶片内流通道的换热流动算法进行改进。考虑涡轮内部蜿蜒通道中弯转区和弯转效应2种因素对 涡轮内部流动换热的影响,使用试验得到的数据对2种因素影响区域的换热情况进行修正,利用修正后的算法对某工作叶片进行 温度场计算,并对修正前后叶片温度场进行了对比分析。结果表明：采用修正后算法得到的蜿蜒通道内的气体温度相较于修正前 算法得到的沿程升高更多,修正后算法求得的叶片整体平均温度降低,最大温差增大。     

高压燃气涡轮径向内冷叶片气热耦合的数值分析

采用气热耦合方法对采用径向内冷方式的MarkⅡ型跨声速高压燃气涡轮金属导叶进行数值模拟,通过分析叶片通道内的传热和流动过程发现叶片表面附面层内流动非常复杂,包含层流流动、转捩和湍流流动状态,所以只有使用转捩模型计算的叶片附面层内流动与实际情况相符,叶片壁面温度和换热系数分布与实验结果吻合的较好,使用其他湍流模型由于不能准确描述附面层内流动而使得计算结果误差相对较大,但是所有的湍流模型都能很好的模拟附面层以外流动.      

某型发动机涡轮冷却叶片的流动换热耦合计算研究

在对某型涡扇发动机高压涡轮转子叶片冷却结构分析的基础上，建立了流动换热分析的气热耦合计算模型．采用通用流体力学计算软件完成了高压涡轮转子叶片复杂结构的内外流场和温度场的一体化计算，得到了涡轮叶并流动换热的数值计算结果，对其冷却结构的换热效果进行了分析，并对气热耦合计算在涡轮冷却叶片设计中的应用进行了分析和探讨。     

气冷涡轮叶片三维换热问题计算

建立了三维气冷涡轮叶片换热计算的热-流耦合计算模型, 将辐射热量作为源项加入到方程中, 采用热-流耦合方法完成了某气冷涡轮叶片带辐射的三维换热计算.辐射热量的计算采用了P-1辐射模型, 比较了计算辐射和不计辐射时叶片表面的温度值及温度分布的差异.计算表明对于1600 K这样的高温燃气, 辐射热量不可忽略, 考虑辐射热量后, 叶片温度明显升高, 温度分布也产生了显著差异.      

绊线对大子午扩张涡轮端壁的气动及传热性能影响研究

为了探究绊线对大子午扩张涡轮端壁边界层分离和马蹄涡的削弱效果,分析绊线对大子午扩张涡轮端壁传热特性的影响。对某1.5级涡轮应用SST湍流模型对端壁流动进行精细捕捉,并进行了气动和传热的有效性实验验证。结果显示：绊线减弱了叶片前缘驻点高压区,使得上端壁分离点位置提前;绊线增强了来自涡轮动叶的泄漏涡强度,但极大地削弱上通道涡;此外,中间位置绊线使得总压损失降低了2.28%。叶片前缘热负荷增加,Trip(5.3% E)绊线使得叶片表面热通量降低1.66%。大体上讲,绊线的引入减小了大子午扩张涡轮通道涡等二次流的影响,优化了大子午扩张涡轮的流场,降低叶片表面换热量。     

具有转捩流动特性的高压燃气气冷涡轮叶栅的气热耦合计算

采用CFX商用软件对NASA-MarkⅡ高压燃气涡轮5411工况进行气热耦合计算,着重分析各种湍流模型对转捩流动区域的预测能力,与实验结果比较,k-ω-shear-stress-transport(SST)-Gamma-Theta湍流模型计算结果与实验结果吻合较好.另外,自编耦合计算程序对相同工况进行气热耦合计算,湍流模型采用Baldwin-Lomax(B-L)代数模型,结果说明,除转捩区域外,B-L模型对叶片表面其余位置的计算结果较准确.应用ANSYS商用软件进行热应力分析,结果表明,涡轮叶片温度场求解结果对叶片内部热应力分布具有显著影响.      

用低雷诺数k-ε湍流模型计算涡轮叶片的对流换热

考虑压力面强顺压梯度及吸力面逆压梯度对Ｓｃｈｍｉｄｔ Ｐａｔａｎｋａｒ低雷诺数湍流模型进行改善,使之能用于模拟涡轮叶片上的对流换热情况。计算了６种涡轮叶片的１８个工况。参数范围是：出口雷诺数Ｒｅ２＝０５６×１０６～２７３×１０６;来流湍流度Ｔｕ∞＝０８％～８３％;平均壁温与气流温度比Ｔｗ／Ｔ０＝０６７～０８２。结果表明,在叶片上的传热计算与实验符合得很好     

内冷涡轮叶栅三维气热耦合数值模拟

为了研究涡轮动叶的内部冷却技术,对采用绝热边界的实心叶片、采用气热耦合的实心叶片和采用气热耦合的空冷叶片进行了研究.发现叶片导热对叶片温度场的影响相当显著;具有带肋蛇形通道和涡流矩阵肋片的内冷结构能使叶片温度大幅下降,但叶片表面温度分布不均匀性增大,换热系数沿叶片表面呈不规则分布.      

带交错肋结构涡轮叶片复合通道的实验

采用实验的方法,研究带交错肋结构和纵向隔板的涡轮叶片内冷通道的流动与换热.实验采用相变加热的方法,为模型实验件提供等壁温边界条件,实验在Re=10 000～60 000之间进行.实验模型采用了交错肋结构和扰流柱结构,分别与两种纵向隔板组合进行实验,以期望得到综合传热效果最优的组合.实验件的一侧外壁面被分成10个区域以期望了解实验件局部换热情况.实验结果表明:带交错肋结构的通道的换热效果好于带扰流柱结构的通道的换热效果.当Re<30 000时,综合传热性能最佳的是带波形隔板加交错肋0612组合结构的通道,当Re>30 000时,综合传热性能最佳的是带波形隔板加交错肋0412组合结构的通道.      

某涡轮导向叶片换热实验与计算

针对某涡轮导向叶片,实验测量了光滑叶片表面的压力系数和速比系数,并使用瞬态液晶测量技术获得了叶片全表面传热系数分布.分别使用shear stress transport（SST）,k-ω,k-ε和renormalization group（RNG）k-ε四种湍流模型模拟了相同结构尺寸的叶栅通道内的流动与换热,并与实验结果进行对比.结果表明:压力面压力系数沿弧长方向逐渐下降,吸力面上压力系数先快速下降达到最小值后缓慢上升（出现逆压梯度）.叶栅通道和叶片表面附近气流流动结构的复杂性导致叶片表面传热系数分布较为复杂.4种湍流模型对压力系数和速比系数的计算结果相互差别不大,计算数据也比较接近实验值.关于叶片表面传热系数,SST模型计算结果分布规律与实验接近,而其他3种湍流模型都没有能模拟出吸力面边界层分离对换热的影响.      

密度比对涡轮叶片表面气膜冷却换热系数的影响

 采用放大的叶片模型,利用大尺寸低速线性叶栅风洞进行试验,测量了涡轮工作叶片表面不同位置处气膜孔下游叶片表面的换热系数,研究了不同吹风比、密度比和雷诺数的影响。风洞试验段由3个叶片组成,其中中间的叶片为试验叶片。试验叶片表面上开有6排气膜孔,其中吸力面1排,前缘区3排,压力面2排。试验结果表明：密度比对叶片表面气膜孔下游换热系数有影响,以往采用空气作为主流及二次流,在低温差下进行试验,所获得的叶片表面气膜孔下游的换热系数在用于涡轮叶片气膜冷却的实际设计时,必须进行修正。     

带气膜出流的旋转叶片冲击冷却的实验研究

用实验方法研究了放大 4倍的涡轮叶片前缘模型在旋转状态下,带气膜出流时叶片内冲击面的换热特性。实验结果表明:雷诺数的增加显著地增强了换热,但叶片前缘和尾缘的增加是不同的,而浮升力对换热的影响是复杂的;在低雷诺数的情况下,旋转对换热影响不明显,而在高雷诺数时,会使换热降低。