GAO-YONG湍流模型对湍流传热的数值模拟

将GAO-YONG湍流模型应用于湍流传热的研究,分别计算了平板剪切湍流和二维平面冲击射流的湍流传热问题.边界层剪切湍流流动与换热的计算表明:与传统的湍流模型不同,GAO-YONG湍流模型不需要对近壁区域做任何特殊处理(比如壁面函数、低Reynolds数修正等)即可模拟出从壁面到主流区的全部流动与传热情况;另外,对于冲击射流Nusselt数的模拟也得到了与实验符合较好的计算结果,准确地捕捉到了2种冲击高度下流场换热的不同特征,表明了GAO-YONG湍流模型能够较高精度地计算湍流换热.      

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.      

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.      

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.      

涡轮叶片气热耦合数值模拟方法

研究了气热耦合计算模型,建立了采用有限差分方法进行涡轮气热耦合计算的数值仿真平台,并利用该平台采用考虑转捩和不考虑转捩两类湍流模型对具有径向冷却通道的MARK II型叶片进行数值模拟,同时将结果与实验值进行比较,对比表明:考虑转捩的湍流模型能够准确的反映出边界层内的流态和热传导情况,因此壁面处温度和换热系数更接近于实验值,与实验值吻合较好。     

基于雷诺平均Navier-Stokes方程的表面传热系数计算

采用有限体积法数值求解控制二维绕流的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程组,计算了光滑和粗糙NACA0012翼型以及圆柱表面的局部表面传热系数.分析了近壁面网格间距、湍流模式和表面粗糙度模型对数值计算结果的影响.结果表明:切应力输运(SST)湍流模型能够区分层流和湍流边界层的对流传热特性,并能预测转捩的发生;采用Spalart-Allmaras(S-A) 扩展模型能够计算粗糙壁面的对流传热系数,但采用忽略转捩函数的S-A模型不能有效计算层流边界层的传热系数.当近壁面网格间距接近10-5量级的黏性子层时,在光滑和粗糙壁面都能得到准确的传热系数分布.结合合适的近壁面网格间距,湍流模式和表面粗糙度模型可以得到与实验数据十分接近的表面传热系数曲线.通过与求解不可压缩RANS方程得到的结果比较后发现,不可压缩RANS方程主要忽略了压缩和黏性耗散效应,这种效应可以通过绝热升温项的形式并入总体热分析.      

冲击射流流动换热超大涡模拟研究

为了准确预测发动机热端部件中广泛采用的冲击射流冷却复杂的流动和换热特性,发展了基于BSL k-ω模型的超大涡模拟(VLES)高精度模拟方法,并对高雷诺数Re=4×104,两种不同射流距离2和6的单孔冲击射流及三孔冲击射流这一经典的流动传热问题进行三维非稳态高精度数值计算。同时,将分离涡方法 (DDES)和k-ωSST,RNG,Transition SST三种RANS方法的数值模拟和开发的超大涡模拟(VLES)方法进行对比。研究表明,VLES方法均能够准确捕捉冲击射流流场的复杂非稳态流动及传热特征,包括自由射流区、壁面射流区小尺度涡系和大尺度湍流结构的演化和破碎,同时冲击壁面的换热系数计算结果与实验值吻合较好。DDES方法未能准确捕捉流场复杂的小尺度湍流结构,壁面换热计算结果与实验值差异较大。RANS方法计算的换热结果与实验数据差异最大,基本未能预测到壁面换热特性。在相同的计算网格和计算方法下,VLES方法计算结果优于DDES方法,DDES方法一般好于RANS方法。这表明新开发的VLES方法能够准确地计算冲击射流相关的流动及换热问题。     

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.      

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.      

[γ-Reθt]转捩模型在跨声速涡轮叶栅中的应用

为了解涡轮叶栅在跨声速条件下的流动特性和准确预测涡轮叶栅外换热情况,对γ-Reθt转捩模型,依据零压力梯度时自由流湍流度衰减实验结果,给出了一种直接估算来流粘性比的方法,以保证叶片前缘附近具有正确的自由流湍流度分布,提高换热预测准确度;同时减少试算次数。对MARK II与VKI两种叶栅通道跨声速工况下的流动换热情况使用CFX软件,选取层流模型、SST k-ω模型以及缺省粘性比和设定合理粘性比的γ-Reθt转捩模型进行了数值模拟验证,计算结果与实验数据的对比表明:转捩模型优于其他模型;而采用本文方法给定进口粘性比,能准确预测转捩位置,同时显著改善γ-Reθt转捩模型对不同来流湍流度下涡轮叶栅表面换热的预测精度;当入口湍流度较高,相比采用缺省粘性比情况,压力面上换热系数的相对误差降低30%以上,控制在7%左右。     

不同湍流度下吹风比对涡轮导向叶片吸力面气膜冷却的影响

采用基于窄带热色液晶测量的瞬态全表面传热测量技术,研究了不同主流湍流度下的吹风比对涡轮导向叶片气膜冷却的影响,获得了叶片吸力面侧圆柱形孔排气膜冷却效率和表面传热系数比的全表面分布数据。结果表明:由于气膜射流与主流掺混的相互作用会随着主流湍流度的变化而变化,因此在主流湍流度不同时,吹风比对气膜冷却效率和表面传热系数比的影响规律会有所不同;主流湍流度较小时,吹风比的增大会显著减弱气膜覆盖效果与气膜冷却效率,但是在大湍流度下,吹风比的影响较弱,尤其是在远下游区域;相同的主流湍流度条件下,吹风比的增大会使得表面传热系数提高,但是在大湍流度下,换热增强效果较弱;相同吹风比下,高湍流度下的表面传热系数比相对较小。      

主流湍流度对涡轮导向叶片气膜冷却特性影响的实验

采用基于窄带热色液晶的瞬态全表面传热测量技术,研究了主流湍流度对涡轮导向叶片吸力面圆柱形孔排气膜冷却特性的影响规律.结果表明:在实验工况范围内,主流湍流度从0.59%提高至6.85%,可以在气膜出流的上游区域促进气膜贴向壁面并扩大展向覆盖面积,从而改善气膜覆盖效果,但是在主流湍流度较大的工况下,气膜覆盖效果迅速变差;在气膜出流的下游区域,主流湍流度的提高使得气膜冷却效率逐渐降低;主流湍流度的增大,增强了无气膜冷却光滑叶片表面的对流换热;在气膜冷却条件下,气膜出流对叶片表面对流换热的增强效果随着主流湍流度的增大呈现出明显的区域性特点:表面传热系数比在上游区域是先增强后减弱;中游区域是逐渐减弱;下游区域则是逐渐增强.     

高湍流度时全气膜涡轮叶片表面冷却和换热特性的实验研究

为获得高主流湍流度时全气膜涡轮叶片表面的冷却和换热特性,在跨声速风洞中实验研究了质量流量比(MFR)和主流雷诺数(Re)对叶片表面气膜冷却效率和换热系数比的影响。在叶片前缘布置了5排圆形孔,在吸力面和压力面分别布置了3排和6排圆形孔,实验结果由嵌入在叶片中截面的热电偶测得。实验中基于弦长的主流雷诺数的范围为3.0×105～9.0×105,叶栅出口马赫数Ma为0.8, MFR的范围是5.5%～12.5%,主流湍流度Tu为14.7%。实验结果表明:主流雷诺数升高显著增强了叶片表面的换热,使层流边界层到湍流边界层的转捩位置提前。对于吸力面S/C0.2的区域(S/C为当地弧长与弦长之比),气膜冷却效率受MFR影响明显,当MFR大于7.7%时提高MFR会导致气膜冷却效率降低;该区域的换热系数比在中低雷诺数时受MFR影响较小,在高雷诺数时随MFR升高而升高。压力面S/C-0.7区域的气膜冷却效率随MFR升高而升高,-0.7S/C-0.4区域的气膜冷却效率受MFR影响较小,对于整个压力面而言,MFR升高提高了叶片表面的换热系数。相对于叶片其它区域,压力面后半段区域和吸力面的气膜冷却效率受雷诺数影响较大。     

高速条件下吸力面复合角孔气膜冷却特性

为探究高速条件下涡轮叶片吸力面上复合角孔的气膜冷却特性,在高速风洞中实验测量了吸力面复合角孔的气膜冷却效率与传热系数比,并通过净热通量减少(NHFR)衡量了复合角孔对吸力面的气膜冷却净收益。分析了雷诺数、吹风比以及湍流度对气膜冷却效率、传热系数比及净热通量减少的影响规律,结果表明：低雷诺数下气膜冷却效率受雷诺数影响较大,但当雷诺数增大至6.4×10⁵以上时,气膜冷却效率几乎不再变化;随湍流度的增大,气膜冷却效率整体降低,低吹风比下气膜冷效对雷诺数、湍流度较为敏感。传热系数比随气膜吹风比增加而增大,但在湍流度较大时,气膜冷却对传热系数的影响降低。湍流度的增大使NHFR有所升高。研究表明对高的湍流度工况,吹风比为0.8时复合角孔呈现最佳的气膜冷却性能。     

过热蒸汽射流冷却叶片热耦合数值模拟

在对射流冷却平板模型和射流冷却凹板模型数值模拟的基础上,设计了射流冲击冷却式蒸汽冷却叶片,并对其进行了热耦合数值模拟.通过改变平板和凹板的进口雷诺数,射流孔与靶板间距和凹板曲率,对靶板的冷却传热进行了对比研究,得到传热量与各个参数的变化规律.然后根据上面得到的变化规律设计出射流冲击冷却式蒸汽冷却叶片,应用ANSYS CFX 10.0数值程序,对冲击冷却的流动和传热过程进行了三维热耦合数值模拟,得到叶片表面温度和对流换热系数分布.