不同流动配置下涡轮叶片交错肋冷却流动传热特性数值模拟

为掌握交错肋冷却结构应用在涡轮叶片不同区域的流动传热性能,针对一种交错肋冷却结构在三种不同流动配置中在等质量流量和子通道雷诺数工况下进行了数值计算研究,三种流动配置包含了径向流动配置（RFC）, 横向流动配置（CFC）和转折流动配置(TFC)。通过比较本研究得到的数值模拟结果与公开文献中的实验数据,定性定量地验证了本次数值计算的有效性。在等冷却质量流量下,RFC配置拥有最高的平均努塞尔数和压力损失,而CFC和TFC配置的平均传热性能相似且明显降低,但压力损失大大减少。在相同的子通道雷诺数下,三种流动配置下的交错肋通道展现出相似的传热强化性能,但TFC配置的压力损失最小。在研究范围内,在RFC配置中肋表面的平均换热比主表面的平均换热约高出16.3%,而在CFC配置和TFC配置中该值则分别高出38.2%以及 30.6%。不同的流动配置会引发子通道内不同的流动特性,包括流动转折和子通道间的交互作用。     

涡轮导向叶片变截面针肋通道内空气流动和传热过程数值模拟

应用紊流ｋ－ε模型、三维适体座标网格结合ＳＩＭＰＬＥＳＴ算法,对涡轮导向叶片尾部变截面针肋通道内空气流动和传热过程进行了数值模拟。该模拟同时考虑了流场、压力场、温度场和物性变化之间的相互耦合作用,可压缩和变物性的影响以及叶片壁内三维导热效果,采取对流—导热耦合传热问题的整体求解法进行数值计算。计算结果与实验符合良好,证明本文建立的数值模型是正确的,可为叶片的优化设计提供一定的依据。     

旋转带肋U型通道内流动与换热的数值模拟

为了获得能够模拟高参数涡轮叶片内冷通道换热效果的模型，数值模拟了旋转状态下U型通道内的流场和温度场，比较了数值模拟与实验的结果。结果表明：所采用的计算程序和模型与实验结果吻合。旋转状态下，通道内各面换热的变化是和通道内流场的变化密切相关的；哥氏力在垂直于旋转半径截面上的不均匀分布引起流动较大变化，对通道内各面换热的影响比较大。哥氏力的作用较大幅度强化指向面换热，小幅强化两侧面换热，而弱化背向面换热。对于带肋通道，总体上阻力系数随着旋转速度的增加而升高。     

V型肋片直冷却通道内流动与传热的数值研究

采用结构化六面体网格和k-ε湍流模型求解三维N-S方程,对内置不同肋间距与肋高比V型扰流肋片的直冷却通道,在入口雷诺数为20 000时的流动与换热特性进行数值模拟,分析了不同肋间距与肋高比对肋间壁面换热效果和流动损失的影响,并对肋间距与肋高比进行了全局寻优。结果表明,带肋直冷却通道的整体换热效果和综合冷却效率,分别和肋间距与肋高比呈近似函数关系,肋间距与肋高比为7.93时通道整体换热效果最好,为5.2时通道综合冷却效率最佳。     

涡轮叶片通道内部V型间断肋的传热特性研究

通过模拟仿真的方法研究了涡轮叶片通道内部V型间断肋的传热特性。主要探究了各结构参数（间断位置,分离肋长度,分离肋后置距离）对通道的传热性能影响。结果表明：相对于传统的扰流肋结构（直肋,60°斜肋,60°V型肋）,V型间断肋在壁面平均相对努塞尔数,综合传热系数以及温度分布均匀性上更具优势。通过改变间断参数,能大幅提高V型间断肋的综合传热系数。在研究的参数范围内,当间断位置为2.5 mm,分离肋长度为10.0 mm,分离肋后置距离为9.6 mm时,通道具有最佳的传热性能。在雷诺数为30 000下,与带有直肋的通道相比,优化后的V型间断肋的平均努塞尔数提高了35.75%,综合传热系数上升了28.95%。     

带前缘涡轮动叶内冷通道流动换热数值模拟

在静止条件下,通过数值模拟的方法对接近真实的带前缘涡轮工作叶片腔模型内的流动与换热进行了分析.结果表明:腔内斜肋引发的三维涡对换热产生了巨大的影响,在一倍肋高范围内, Y-Z 和 X-Y 平面上都出现了肋后涡,使得此处传热系数降低;在 X-Z 平面上,第2通道产生一对方向相反的涡,第3通道只产生一个涡.两个通道中的涡都占据整个横截面,这些涡增加了通道流阻.冲击和气膜流动主导了前缘通道内的换热,冲击产生的一对涡加强了流动掺混,促进了前缘吸、压力面上的换热,而高速的气膜出流推动了这一过程.相同流量工况下,第2通道带肋表面的平均换热和局部换热都是最好的,而光滑的第1通道总压降最小,综合换热性能在各个通道中最高.随着雷诺数的增加,各通道吸、压力面的局部换热和平均换热都增强,但压降系数变化不大.      

涡轮叶片凹槽状叶顶非定常流动传热特性的数值研究

为了研究涡轮叶片凹槽状叶顶的非定常流动传热特性,以GE-E3第一级静叶和动叶为研究对象,采用ANSYS-CFX数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和标准k-ω紊流模型。数值预测的叶顶换热系数分布与实验数据吻合良好,从而验证了数值方法的可靠性。数值计算结果表明:静叶尾迹对动叶顶部的流动和换热特性影响显著。压力面侧前缘区域和吸力面中间位置的流场受动静干涉影响显著。叶顶表面的换热系数脉动主要出现在靠近前缘的凹槽底部表面和再附着线附近及吸力面侧肩壁。靠近动叶尾缘区域的换热系数脉动同时受动静干涉作用和下游流场的影响。定常计算得到的换热系数在前缘冲击区和分离线附近高于非定常时均值,在压力面侧肩壁附近小于非定常时均值。定常计算得到的平均换热系数要高出非定常计算结果3.5%。     

具有凹陷涡发生器的网格冷却结构内的流动与传热特性

对一种具有U 形子通道以及凹陷涡发生器的新型网格冷却结构内的流动和传热特性进行了实验和数值计算研究,通过数值计算可以较准确地获得网格冷却结构的传热性能和流阻性能.在数值计算模型得到验证的基础上,还分别对具有U 形子通道和凹陷涡发生器的网格冷却结构,以及具有U 形和矩形子通道的网格冷却结构内的流动和传热性能进行了对比研究.对比研究表明:与矩形子通道相比,U 形子通道结构能够改善子通道底部的流动状况,降低流动阻力,但同时也略微降低了总体传热性能;在U 形子通道壁面上布置凹陷涡发生器能够显著增强底部流动扰动,大幅提高传热性能,但同时也增加了流动阻力.      

凹槽状叶顶涡轮叶片传热特性的数值研究

采用计算流体动力学软件ANSYS-CFX数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和标准k-ω紊流模型研究了涡轮叶片凹槽状叶顶的传热特性。数值预测的平顶部叶顶的换热系数分布与实验数据吻合良好,验证了数值方法的可靠性。计算分析了凹槽深度和肩壁厚度对凹槽状叶顶传热特性的影响,还分析了动叶与机匣相对运动下的凹槽状叶顶无气膜冷却和中弧线布置气膜冷却时的流动换热特性。研究结果表明:在肩壁厚度一定时随着凹槽深度的增加叶顶换热系数降低;在1%叶高的叶顶间隙和2%叶高的凹槽深度及4种肩壁条件下1.0mm肩壁厚度时叶顶换热系数最小。相比于动叶与机匣均静止时,动叶和机匣之间的相对运动能够增强动叶顶部的换热效果;动叶与机匣间的相对运动能够增强前缘处气膜冷却效果,总体来说动叶旋转时的离心力和哥氏力对凹槽状叶顶的气膜冷却效果影响有限。     

旋转蛇形通道内冷气流动和换热的数值模拟

对于具有近真实发动机参数的涡轮叶片蛇形内冷通道,数值模拟了旋转状态下光滑、前后缘带肋及环肋结构的内流场和温度场分布,对比分析了其流动和换热特性。结果表明,带肋通道各面换热均明显好于光滑面通道;旋转对各通道进气段的影响比出气段明显;哥氏力在环肋通道中产生了最为强烈的截面二次流;光滑通道出气段换热受弯管效应的影响最为显著。      

小间距梯形扰流柱通道内的流动换热数值计算

为了深入了解涡轮叶片尾缘扰流柱区域的流动结构和换热情况,通过数值计算研究了小间距梯形扰流柱通道内的流动和换热.数值计算结果表明:①数值计算得到的端壁静压分布、弦向出流量分布、总压系数与实验结果符合良好,端壁换热分布规律总体上与实验结果一致.②扰流柱区域的流动方向基本为弦向.沿弦向湍流度是逐渐升高的,靠近弦向出口扰流柱后的湍流度比较低.数值计算结果对涡轮叶片内部冷却计算具有重要的参考价值.      

涡扇发动机涡轮空气系统流动和传热性能的CFD分析

以典型的小型涡轮风扇发动机的涡轮空气系统为研究对象,用数值计算的方法研究了包括高低压涡轮盘腔、导向器内腔、轴承腔和相连的冷却气路在内的流动和传热特性.所研究的是一个多腔相连的多进口、多出口流动与传热问题,在研究中采用了流体域和固体域整体建模耦合计算的方法.根据计算结果,分析了结构参数和气动参数对该系统,尤其是其中轴承腔的温度分布的影响规律,提出了降低轴承腔温度的措施,并分析了各项措施的降温效果.充分展示了数值计算仿真在发动机空气系统分析方面的潜力.      

双出口孔射流气膜冷却换热特性数值模拟

为了优化气膜冷却结构,通过数值模拟研究了一种新型气膜孔(由两个圆柱孔组成的双出口孔)的气膜冷却换热特性。利用Fluent软件对N-S方程进行求解,湍流模型采用两方程realizable k-ε模型和增强壁面函数处理。重点研究了吹风比对气膜冷却换热系数、换热系数比和热流比的影响。结果表明,换热系数随吹风比增大而增大,随x/d增大而减小,气膜孔附近尤其明显。吹风比0.5和1.0时,换热系数比随x/d增大而减小;吹风比1.5和2.0时,换热系数比随x/d增大先减小后增大。在研究的吹风比范围,双出口孔射流气膜冷却起到了削减从燃气传入叶片热流的作用。吹风比从0.5增大到1.0,热流比减小;吹风比从1.0增大到2.0,热流比增大。热流比随x/d增大而增大,气膜冷却的冷却效果减小。     

直接供气预旋转静系流动和换热数值模拟

采用CFD商业软件FLUENT分别从维度模型和湍流模型两个角度对接近真实的高压涡轮旋转盘腔进行数值模拟,研究了一种直接供气预旋转静系旋转盘腔模型内的流动和换热特性.通过计算研究发现:低位腔内的流动仅由中心入流控制,二维计算不能反映高位腔内中心入流与预旋入流的掺混;二维和三维计算所得的腔内压力分布相似,实验值介于两者之间;主盘面的换热主要受中心入流控制,二维和三维计算差别不大,Realizable k-ε湍流模型在定性和定量上均能更好地反映换热实验结果.      

涡轮叶片尾缘梯形通道异形扰流柱流动换热特性实验

针对叶片尾缘梯形通道内叉排排列的圆形、椭圆形、水滴形和哑铃形扰流柱的流动换热特性进行了实验研究.研究结果表明:在相同的进口雷诺数情况下,水滴形扰流柱的通道压力损失最小,仅为圆形扰流柱的57%;圆形扰流柱和哑铃形扰流柱的换热效果差异不大,比椭圆形扰流柱的换热效果高约20%,比水滴形扰流柱的换热效果高25%左右;进口结构形式对流动换热特性的影响不是非常明显,双排小孔的挡板通道内压力较大,但是换热效果也相对较好.      

燃气非平衡流再生冷却流动传热数值模拟

为准确预测液体火箭发动机推力室身部再生冷却换热状况,采用数值模拟方法,对燃气、推力室壁和超临界气氢进行三维流动和换热耦合计算。采用6组分9步反应动力学模型计算燃气的非平衡化学反应,采用DO模型计算燃气辐射换热,考虑超临界气氢物性随温度和压力的变化。获得了室壁温度场、燃气及冷却剂流场。结果表明,Redlich-Kwong方程、Peng-Robinson方程、Lucas法、TRAPP法能分别准确计算超临界氢的密度、定压比热容、粘度、导热系数,采用燃气非平衡流计算所得流场值更符合实际情况。     

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.