基于源项法的气膜冷却涡轮叶片多目标优化

以GE-E³高压涡轮第一级气冷导叶为研究对象,通过多目标遗传算法优化气膜孔布局以降低叶片表面温度。其中采用源项法模拟全场气膜冷却效果,该方法节省计算量的同时无需对气膜孔划分网格,通过对比实验结果后认为,源项法可以较好地模拟出冷气覆盖效果如表面动量损失等。在此基础上采用多目标遗传算法NSGA-II (Nondominated Sorting Genetic Algorithm II),以气膜孔的出气角及流向位置为设计变量,以叶片表面最高温度及平均温度为优化目标。结果表明叶片表面温度分布有所改善,其中压力面优化效果要好于吸力面。      

源项冷却模型的建模以及在平板和涡轮的应用

为了解决由于划分冷气腔和尺寸过小的多排气膜冷却孔导致网格量过大的问题,本文基于NUAA-Turbo平台,在气膜冷却孔出口处建立适用于变比热条件下的源项冷却模型来代替冷却气体从孔内流出,并且在孔内建立换热模型,用于模拟孔内的对流冷却。对气膜冷却平板算例气动研究发现:在吹风比为1.0时,计算值与试验值相吻合。而对吹风比为1.5的孔下游近壁处计算时,发现流向速度计算值与试验值存在11.1%的误差,但小于商用软件44.4%的误差,尽管发现优化后的源项冷却模型不能很好反映下游近壁处法向速度分布,但计算精度在商用软件源项冷却模型基础上有25%的提高。为了证明该方法的可行性,对气冷高压涡轮MT1导叶的等熵马赫数以及平均努塞尔数等相关实验数据与计算数据作了对比,研究发现:在吸力面和压力面计算值与试验吻合较好,而在无冷却气膜覆盖的叶片尾缘和叶片前缘等局部位置计算值与试验值存在误差。研究表明:优化后的源项冷却模型能够较为准确地模拟冷却射流的宏观特征,该方法对工程上气冷涡轮的设计有一定的应用潜力。     

双向扩张型孔射流角度对气膜冷却特性影响的实验

设计了气膜冷却实验台,测量了单排7个气膜孔的平均换热系数和冷却效率.气膜孔倾角为20°,45°和90°,孔间距P/d=3.动量比变化范围为1～4.重点研究主流零压力梯度下动量比和孔倾角对换热系数比和冷却效率影响.结果表明,动量比的增加使换热系数比和冷却效率都增加,随着倾角增加,动量比对冷却效率的影响减弱;倾角对换热系数比的影响非常复杂,倾角的增加使冷却效率减小.倾角20°的冷却效率明显高于倾角45°和90°的冷却效率.      

全覆盖气膜孔阵列方式对冷却特性的影响

运用标准k-ε湍流模型对不同吹风比下正菱形、长菱形和超长菱形三种气膜孔阵列方式的多孔全覆盖气膜冷却的气膜出流流场特性、气膜绝热冷却效率和气膜综合冷却效率进行了数值模拟对比研究.结果表明:气膜孔阵列超长菱形排布是较优的排布方案,在该排布方式下,气膜出流向主流的穿透相对较弱,气膜沿展向的覆盖率也较高,因而气膜绝热冷却效率相对最高;气膜孔排布方式对气膜综合冷却效率的影响规律与气膜绝热冷却效率的基本一致,超长菱形排布仍然是较优的排布方案.      

抑涡孔结构对气膜冷却效率的影响

对不同孔间距模型的气膜冷却现象的流动和换热进行了数值计算,得到了不同吹风比下,展向和流向孔间距对气膜冷却效率的影响规律.研究结果表明,在主流雷诺数为4 797,吹风比为0.2～2.0的条件下:①展向方向上,S₁/D=1为最佳布局;②流向方向上,相对于主孔靠后的辅助孔冷却效果较好;③流向方向上,辅助孔在主孔下游的模型受吹风比影响小,并且流向距离的改变,对涡量的量级不发生改变,对涡量的大小和方向影响较大.      

带肋横流对凹槽孔气膜冷却特性影响的机理研究

为了探究带肋横流对凹槽孔气膜冷却特性的影响,运用Realizable k-ε湍流模型,对光滑通道、45°肋通道和135°肋通道进气的凹槽孔进行了数值研究,吹风比为0.5、1.0和2.0,主流和横流的进口雷诺数分别为1×104和1×105.结果表明:45°肋通道与光滑通道在气膜孔内具有相似的螺旋流动,但其流量系数相比光滑...     

涡轮动叶表面换热特性的试验研究

航空发动机性能的提高对涡轮叶片耐热极限提出了更高的要求,为了更准确地分析涡轮叶片的传热特性,选取某型气冷涡轮动叶10%、50%和90%叶高的特征型面通过低导热光敏树脂材料经过3D打印而成,通过叶片表面粘贴厚度为0.02mm康铜加热膜接通恒定电流加热,使用红外热像系统精确测量叶片壁面温度,在平面叶栅中研究了吹风比(M)和雷诺数(Re)对气膜绝热冷却效率和努塞尔数(Nu)的影响(试验中基于弦长的进口雷诺数Re为8.0×10⁴-16.7×10⁴,吹风比M为1-3)。试验结果表明：M=1时气膜能够较好附着在叶片表面,叶片表面得到较好冷却;随着主流雷诺数的增加,绝热壁面温度逐渐升高,绝热效率逐渐降低;吹风比对涡轮叶片的传热特性的影响与气膜孔出流角度有关,随着吹风比的增大,压力面绝热冷却效率逐渐增大,由于吸力面的气膜孔出流角较大,吹风比增大使得吸力面的绝热冷却效率逐渐减小;随着吹风比的增加,对流换热系数增大。     

应用各向异性湍流模型对气膜冷却的数值研究

应用引入各向异性系数的k-w湍流模型和标准k-ε模型,对平板气膜冷却经典实验进行了数值研究,分析了各向异性系数的引入对气膜孔下游流场与温度场的影响机理,探讨了该系数的适用性问题.研究表明:①展向各向异性系数的引入,增加了流体在展向的湍流脉动,强化了气膜冷气沿展向的扩散;②各向异性模型的计算结果在低吹风比(M=0.5)的工况下与实验值符合得较好;③各向异性系数在气膜脱离壁面与主流掺混的区域适用性较差.      

气膜孔内局部堵塞对气膜冷却特性的影响

在吹风比为0.3~1.5,堵塞比为0.1~0.5范围内,对平板上单排倾斜气膜孔内局部堵塞所引起的冷气射流流动和冷却特性变化进行了数值研究,分析了堵塞比、堵塞位置和吹风比对绝热气膜冷却效率的影响.在研究参数范围内的研究结果表明:气膜孔出口端前缘的局部堵塞有利于抑制肾形涡,对气膜孔下游的绝热气膜冷却效率有改善作用,并且随着堵塞比和吹风比的增加,对冷却效果的改善越为明显.而在气膜孔出口端尾缘或侧边的堵塞则在较大的堵塞比下削弱气膜冷却效果.相对于气膜孔出气端的局部堵塞,在气膜孔进气端和中部的堵塞对绝热气膜冷却效率的影响要微弱得多.     

气膜-发散组合冷却结构换热特性的实验研究

为了研究气膜-发散组合冷却结构的冷却特征,保证相同的开孔率,设计了三种不同发散孔排布形式的组合冷却结构,采用实验的方法对气动参数和几何参数对绝热冷却效率和对流换热系数的影响规律开展了研究。结果表明:绝热冷却效率和对流换热系数沿主流方向先逐渐降低,达到最低点后沿流动方向二者基本保持不变;在研究参数范围内,主流雷诺数和吹风比对绝热冷却效率的影响不大,但对组合冷却结构的对流换热系数影响较大,随着主流雷诺数和吹风比的增加,对流换热系数均呈现逐渐增大的趋势;针对三种发散孔排布形式的绝热冷却效率和对流换热系数,流向间距大的气膜发散冷却结构最高,流向间距居中的气膜发散冷却结构次之,流向间距最小的气膜发散冷却结构最低。     

致密孔阵气膜冷却绝热温比和对流换热系数的数值研究

采用数值模拟方法研究了气膜孔叉排方式下孔间距和吹风比对致密孔阵气膜冷却绝热温比和对流换热系数的影响.结果表明:减小相邻孔间距与孔径比或增加吹风比,平均壁面温度就越低,且温度分布更为均匀,绝热温比提高,热侧壁面平均换热系数也随之增大;相对于增加气膜孔阵的密集程度而言,吹风比的增加所带来的绝热温比改善和对流换热系数增加幅度略有减弱.特别是当吹风比大于1以后,吹风比的影响程度比较微弱.      

突片作用下气膜冷却对流传热特性的试验研究

为了研究突片对气膜冷却的影响规律,设计了3种不同堵塞比的等边三角形突片,并对其对气膜冷却特性的影响规律进行了实验研究.研究结果表明,与无突片的气膜冷却相比,突片的存在提高了对流换热系数,在吹风比0.5～0.78时,堵塞比为0.1时气膜冷却对流传热系数最高;当吹风比为1.22～1.5时,堵塞比为0.27时气膜冷却对流传热系数最高.但突片的存在也增大了气流在气膜孔中的流动阻力.     

利用横向槽改善气膜冷却效率的实验

为了获得横向槽对气膜冷却效率的影响规律,分别对气膜孔出口全开槽、上游开槽和不开槽三种气膜冷却结构形式的平板实验模型进行了实验研究,获得了带横向槽气膜冷却结构的冷却效率随吹风比的变化规律和开槽形式对冷却效率的影响规律,以揭示横向槽改善气膜冷却效率的机理.研究表明:在横向槽的作用下,冷却射流向主流的垂直扩散受到抑制,二次流在流出横向槽后能更好的贴覆绝热壁面,提高了气膜冷却效率,并且在气膜孔出口处开槽,对提高气膜孔下游的平均冷却效率有较大的作用,上游开槽结构的下游平均冷却效率高于全开槽和不开槽结构的平均冷却效率.      

肋角度对气膜冷却特性的影响

在光滑二次流通道的基础上,分析对比了两种带肋通道(135°肋和45°肋)对气膜冷却特性的影响.采用瞬态液晶测试技术获得了气膜孔下游表面传热系数比与气膜冷却效率分布.使用Fluent软件RANS数值方法对相应结构进行了数值模拟,并使用了realizable k-ε湍流模型.光滑二次流通道模型中,气膜孔内流线呈螺旋状分布,导致较大的孔内速度分离与流动损失.冷气射流分成两部分,其中一股形成一对偏斜的对转涡.135°肋结构中,二次流通道上部分的旋转涡为顺时针方向,使得气流易于流入气膜孔,气膜孔内流线呈直线分布.45°肋结构中,二次流通道上部分旋转涡为逆时针方向,增强了气膜孔内旋转涡.45°肋结构中冷气流入气膜孔之后的流动结构与光滑二次流通道结构相似.135°肋结构气膜冷却效率最大而表面传热系数比最低.     

液体火箭发动机燃烧室壁液膜冷却的数值模拟

为研究液体火箭发动机的液膜冷却,建立了液膜模型。考虑核心气流与液膜间的对流传热,辐射传热以及壁面与液膜的对流传热分析传热量,由液膜的卷吸和液膜的蒸发计算传质,并由气液界面和液固界面的摩擦力分析流动情况。在400N小发动机内流场数值模拟中采用了该液膜模型,计算得到的壁面温度分布与试验结果符合较好,表明该模型是合理可行的。改变发动机燃烧室半径和圆筒段长度,将数值模拟结果对比分析发现:在一定范围内随着半径和圆筒段长度的增加,液膜长度减小,室壁温度升高,冷却效果变差。研究结果可为发动机的设计提供参考。      

冲击+同向对流+气膜冷却效果的试验

为了研究火焰筒壁面冲击+同向对流+气膜复合冷却方式的冷却效果,设计了多种不同几何结构的试验件,采用红外热像仪对冷却壁温进行测量.研究结果表明,冷却效率随吹风比的增加而增大.沿冷却壁面,冷却效率呈波浪型分布.在气膜出口附近区域和冲击驻点区域冷却效率最高.在冲击驻点区域后,冷却效率的下降较为缓慢.冷却效率随冲击间距的减小而增大.      

克努森数对气膜冷却流动换热相似特性的影响

数值模拟研究克努森数Kn对不同尺度气膜冷却流动换热相似特性的影响,选取孔径为0.3,3,10mm平板单排圆柱形气膜孔模型,计算得到模型在Kn不同与相同条件下冷却效率和孔流量系数.结果表明:Kn相同时,小孔与大孔模型流动换热特性相似,冷却效率及流量系数均吻合很好;Kn不同时,两模型流动换热特性存在一定差异,冷却效率及流量系数吻合较差.因此为在气膜冷却相似放大研究中得到准确的相似结果,需要保证小孔及大孔模型的Kn相同.      

涡轮导叶压力面气膜孔排位置对气膜冷却特性的影响

为了研究气膜孔排位置对气膜冷却特性的影响,在涡轮导叶压力面布置了4排单排扩张型气膜孔(分别用PS1～PS4表示)并在跨声速风洞中进行了实验,通过气膜孔排下游的热电偶获得了气膜冷却效率和换热系数。叶栅进口雷诺数Re为3.0×105～9.0×105,PS1～PS4的吹风比BR为0.5～2.0,叶栅出口马赫数为0.8。实验结果表明:PS1位置的顺压梯度较大导致下游冷却效率随吹风比增大而升高,PS2下游小于30D (D为气膜孔直径)的区域最佳吹风比为BR=1.2,而大于30D的区域BR=2.0时气膜冷却效率最高。吹风比相同时,PS1由于孔的倾角较大导致其冷却效率低于PS2,而具有相同倾角的PS2,PS3,PS4冷却效率逐渐减小。除了PS2在BR=0.5时的工况,其它工况下冷气射流与主流的掺混导致PS1～PS4下游的换热系数比都大于1,PS2和PS3下游的换热系数比随吹风比增大而增大,PS1和PS4下游的换热系数比受吹风比影响较小。综合考虑气膜冷却效率和换热系数,在相同冷气量时PS2的冷却效果是最好的。