涡轮叶栅叶型损失的数值模拟方法

给出了一个计算亚、跨音涡轮叶栅叶型损失的数值计算方法。主流采用时间推进有限体积法求解积分型欧拉方程,并采用了局部网格修正技术;附面层采用全隐格式求解有限差分方程;在叶栅出口与远后方均匀流之间进行了叶片尾迹与主流的掺混损失计算。算例表明本文的数值方法可准确地预测涡轮叶栅的叶型损失。     

低压涡轮导向叶片平面叶栅试验及数值模拟

基于低压涡轮导向叶片平面叶栅设计性能的研究,进行了平面叶栅试验,并采用商用CFD软件NUMECA建立了平面叶栅3维计算模型,得到了各性能参数随出口等熵马赫数的变化曲线、叶片表面等熵马赫数分布曲线、以及S1流面等熵马赫数分布。计算与试验结果表明:数值模拟结果与试验结果吻合较好;本叶栅具有后加载特性,亚声速段的损失较小;在设计工况时流动状态较好,流道中没有出现超声速区和激波现象。     

高压涡轮叶栅尾缘损失的试验研究

由德国宝马*罗*罗（BRR）、中国燃气涡轮研究院（GTE）和德国宇航院（DLR）联合开展了“叶背表面曲率的变化对高压涡轮尾迹损失的研究”。此课题包括三套涡轮叶栅，G1由BRR气动设计，DLR和GTE共同试验；G2由BRR气动设计，GTE试验；G3叶栅由GTE气动设计、加工和试验。通过研究得出了G1、G2和G3三套叶栅，在β1=41.4°、56.4°和26.4°，M2tis=0.70、0.85、1.0和1.15时，叶背表面带和不带附面层转捩线的试验结果。     

两个涡轮叶栅跨声速流场的数值模拟

采用CFD软件CFXTASCflow时两个涡轮叶栅跨声速流场进行了分析，其中一个为高压涡轮导向器环形叶栅，另一个为高压涡轮动叶中截面平面叶栅，计算结果与试验数据吻合良好。     

涡轮叶栅尾缘冷气喷射的数值模拟

采用ANSYS／FLOTRAN软件,对沿轮叶栅尾缘冷气喷射现象进行了数值模拟计算。通过使用层网技术构筑的非结构风络和k-ε双方程湍流模型,较好地揭示了尾缘冷气喷射槽附近的流动机理。模拟计算结果与试验数据吻合良好。     

低雷诺数涡轮叶栅损失的实验与数值模拟

发动机涡轮部件在高空低速飞行条件下工作雷诺数降低,其损失显著增大、效率显著降低。应用实验分析与数值模拟相结合的方法,深入认识高空低雷诺数条件下涡轮流动损失的特征和规律,数值计算是基于Jame son中心差分和Runge Kutta时间推进的N S方程计算的有限体积方法。研究表明,随着雷诺数降低,涡轮叶栅流动损失增大,当雷诺数小于42000之后,涡轮叶栅流动损失呈明显增大的趋势。数值计算结果表明在低雷诺数条件下,涡轮叶栅吸力面后部流动产生了分离,这是流动损失增大的主要原因。数值预测的结果与实验测量结果的趋势吻合得相当好。     

旋转爆轰波与涡轮平面叶栅相互作用数值模拟

由于旋转爆轰燃烧室具有自增压特性，可提高热力循环效率，因此将旋转爆轰燃烧室应用于燃气轮机可进一步提高系统的性能。基于非稳态雷诺时均Navier-Stokes方法，采用剪切应力输运k-ω湍流模型，建立旋转爆轰燃烧室与涡轮平面叶栅耦合计算模型，研究旋转爆轰燃烧室内的复杂波系与涡轮叶片的相互作用，分析涡轮叶栅对高频爆轰压力振荡的抑制作用。结果表明：旋转爆轰燃烧室内的燃气在涡轮叶栅内加速，并且在斜激波后的局部区域马赫数的增加更为明显。斜激波与涡轮静转子叶片的前缘、压力面、吸力面以及尾缘相互作用，由于旋转爆轰波不同的传播方向，使得斜激波与静子叶片呈相互垂直或平行，进而形成两种不同的波系结构。涡轮叶栅对高频压力振荡存在明显的抑制作用，涡轮叶栅上下游高频压力振荡幅值的衰减率达到80%以上。研究结果展示了旋转爆轰波作用下涡轮叶栅内复杂波系结构特征，并对基于爆轰燃烧推进技术的应用提供了一定的理论基础。     

涡轮叶栅端壁气膜冷却数值模拟

对前缘上游有双排气膜孔的涡轮叶栅端壁气膜冷却进行了气动和传热数值模拟。计算模拟了两排26个气膜孔,每个孔截面的网格数达到近200个,计算域包括了供气腔。计算得到了端壁气膜冷却的冷却效率分布并进行了冷气射流粒子示踪。计算揭示了端壁气膜冷却的流动与传热传质机理,并据此提出了端壁抛射气膜冷却的概念。结果表明数值计算可模拟气膜冷却的主要流动与传热特征,但在数值的准确性上还需要进一步的完善。     

正弯涡轮叶栅内旋涡结构的数值模拟

对某型涡轮正弯及直叶栅流场进行了三维粘性求解。给出了马蹄涡及通道涡的详细演化过程。通过对弯直叶栅两类流场拓扑结构上的差异分析,指出与直叶栅相比采用合适的弯角后正弯叶栅有利于形成稳定的通道涡,并且在相当大的轴向弦长范围内保持着这种稳定的涡结构。并将其对损失的影响进行了分析     

二维涡轮叶栅流场的直接数值模拟

采用高精度有限差分格式求解非定常N-S方程组,对低雷诺数下二维涡轮叶栅流动进行了直接数值模拟,计算了雷诺数为10000,VKI涡轮叶栅在0°,8°以及-8°攻角下的流场,对涡轮叶栅非定常流动机理做了初步的探讨。计算结果表明:在叶栅尾缘处,逆时针方向和顺时针方向的主涡交替在壁面产生,并和主流相互作用产生二次涡,而当二次涡与主流连通发生掺混时,将引起主涡被分割并从叶片表面脱落;攻角在一定范围内的变化对VKI涡轮叶片表面边界层发展影响不明显。文中还对尾迹区的统计量特性和速度亏损特性等进行了研究。      

涡轮叶片表面气膜出流的数值模拟

深入理解气膜出流对涡轮叶栅气动性能和流场结构的影响对于冷却涡轮的设计具有重要意义。本文利用数值模拟手段对涡轮叶栅表面气膜出流与主流相互作用进行了研究,给出了冷却孔附近的三维流场,分析了叶片表面气膜冷却机理以及吹风比对气膜出流与主流相互作用的影响规律。研究结果表明,吹风比增大将导致叶栅内部流动损失增大,且压力面更为明显;当吹风比增大到一定程度,叶片两侧面上将出现掺混肾型涡流动结构,并且在压力面和吸力面诱导出旋向相反的诱导涡。     

叶栅内冷气射流场结构的数值模拟

采用具有 TVD性质的三阶精度 Godunov格式对涡轮叶栅背弧表面进行了冷气喷射的数值模拟。射流由冷气孔喷出后在空间的发展过程中逐渐形成典型的卵形涡对, 在压力场的作用下射流被压弯并逐渐向背弧表面靠拢。射流在出口附近具有刚体的特性, 并在射流前方形成了鞍点及马蹄涡。同时本文还验证了大冷气喷射速率条件下, 卵形涡消失于主流而非边界层内的结论。      

基压对跨声速涡轮叶栅尾迹损失影响的研究

跨声速涡轮尾迹损失是叶栅损失的主要部分,大约占总损失的三分之一。跨声速尾迹气流十分复杂,必须了解其基本的气流流动模型。目前,计算损失的方法大多根据经验公式,但该方法限制了计算损失的准确性。国外一些研究表明:基压与损失、基压与反压都存在着一定的关系。本文利用超、跨声速平面叶栅风洞在近二十年中所做的叶栅试验数据,进行分类整理,总结出基压对反压和基压对损失的简便经验公式,为叶型设计的气动计算提供叶栅损失系数和叶片表面马赫数分布的预估。     

考虑冷气喷射的涡轮叶栅尾缘损失理论分析

 基于Denton 的尾缘流动理论, 发展了一种考虑冷气喷射的二维、可压涡轮叶栅尾缘混合损失模型,研究了涡轮叶栅尾缘损失的特征, 定量评估了影响尾缘损失的各种参数。研究表明, 冷气流量是影响尾缘损失的一个重要参数, 对于主流马赫数为11 1 的典型情况, 冷气流量从0 增大到10%, 损失增大315 倍。叶片尾缘基压变化对损失也具有明显的影响, 其它影响损失的参数包括叶栅出口位置边界层动量厚度、冷气总压、叶栅尾缘厚度等。     

非定常环境中叶栅总压恢复系数的数值研究

利用以Ni格式和隐式双时间步法求解二维非定常N-S方程为基础的数值模拟方法研究了流动的非定常性对涡轮叶栅总压恢复系数的影响,并与文中提出的定常模型和准定常模型进行了对比。结果发现,非定常流动能够提高叶栅的总压恢复系数,但这是建立在与准定常流相比较的层面上,而和定常流比较时,非定常流只会使总压恢复系数下降。      

大叶尖间隙下叶栅性能数值模拟

利用NUMECA软件对某线性叶栅的三维流场进行了数值模拟,对比研究了小叶尖间隙和大叶尖间隙时叶尖泄漏涡流的形成和发展,探讨了叶尖间隙大小对叶栅流场和气动性能的影响。研究表明,随着叶尖间隙的增大,叶尖泄漏射流发展成为叶尖泄漏涡,涡流范围不断增大,涡流强度增大趋缓,涡流使得气流偏转减小。从小间隙逐渐增大到大间隙,总压损失与叶片载荷均增大,而在大叶尖间隙时,总压损失增加并不显著,叶片载荷增大趋缓。其结论为进一步揭示叶尖间隙涡流的流动机理以及工业燃气轮机的优化设计提供了参考。     

大曲率弯道和叶栅内的湍流数值模拟

本文在贴体曲线坐标系下应用非交错网格技术，发展了适于求解复杂流动的压力修正算法，采用速度的协变物理分量为动量方程的求解变量，推导得出一个适于任何曲线坐标系下控制单元体界面流通量的插值模式，可以有效地抑制不合理的波动压力场，计算表明，算法稳定收敛，计算值与试验值吻合良好，同时能预示通道内复杂的流动现象。