存在剥离条件下颗粒物沉积过程的数值研究和实验验证

为了更加准确地模拟涡轮叶片表面颗粒物沉积的增长过程和分布状况,研究颗粒物沉积过程中粘附、剥离直至稳定平衡的规律,在经改进的颗粒粘附模型基础上考虑两种剥离形式,利用Fluent的User Defined Function (UDF)功能和网格重构技术,最终实现了熔融石蜡颗粒于带有气膜冷却的平板上沉积动态增长的过程。通过与相同条件下所得实验结果的对比,验证了所用模型的有效性和合理性。随后研究了是否加入剥离模型、气膜冷却吹风比、气膜孔射流角度等因素对沉积效果的影响。计算结果表明,考虑颗粒的剥离效应将减少颗粒物沉积的总量,尤其是在气膜孔后较短区域内;此外,吹风比的增加将使颗粒不易撞击壁面,已粘附的颗粒也更容易剥离从而降低沉积的厚度和质量;射流角度不断增大则使气膜覆盖效果变差,壁面温度升高,颗粒更易达到熔融状态沉积下来。研究发现该数值方法有助于更加精确地仿真沉积增长的过程,证实了吹风比和射流角度对沉积的分布和厚度有很大影响。当射流角度处于35°～40°时,可在一定程度上减少沉积。     

某变循环发动机超声涡轮设计与分析

应用相似理论原理,为某变循环发动机在高、低涵道比两种工作模式下设计了高膨胀比、大焓降超声高压涡轮,叶片造型采用S₁流面三维造型法实现.通过三维数值模拟对设计涡轮在以上两种工作模式下进行了验算,应用Spalart-Allmaras一方程湍流模型求解雷诺平均Navier-Stokes方程,并引入Abu-Ghanam Shaw转捩模型描述叶片表面边界层发展过程.数值模拟结果表明,涡轮在两种工作模式下等熵效率分别达到92.79%和92.31%,优于设计预期;三维造型法考虑了S1流面的物理特征,是一种精确而有效的叶片造型方法.      

污染物沉积和热障涂层脱落对气膜冷却效率影响的数值研究

污染物沉积到有热障涂层的涡轮叶片上之后,会导致叶片表面状况的改变,进而影响气膜冷却效率。为分析影响规律,利用三维数值计算研究了3种典型情况下的气膜冷却特性:污染物沉积、热障涂层脱落及气膜孔堵塞,并得到了吹风比的影响规律。研究结果表明,平板气膜冷却吹风比为0.5时,冷却效果最佳;在发生沉积和堵塞后,气膜孔附近产生的反旋涡对会削弱沉积和堵塞后的气膜冷却效率,沉积高度增加会强化这种削弱效果;由于在沉积情况下高吹风比会诱导出正向旋涡使得气膜贴近壁面,因此随着吹风比增大,气膜冷却效果增强;因涂层脱落而在孔下游产生的裂纹在低吹风比时会降低冷却效率,高吹风比时改进冷却效果,使得最佳吹风比由0.5上升到0.7左右;气膜孔堵塞会降低冷却效率,使得气膜更易脱离壁面。      

气膜冷却平板表面颗粒物沉积的实验研究

为了解涡轮叶片表面颗粒物的沉积规律和沉积对气膜冷却的影响,实验通过石蜡喷涂装置将熔融石蜡颗粒喷入到小型风洞中,石蜡颗粒沉积在具有气膜冷却的平板表面上来模拟涡轮叶片上的颗粒物沉积过程。实验中将表征石蜡熔融颗粒尺寸的斯托克斯数与实际燃气涡轮发动机中的煤灰颗粒相匹配,通过调节主流温度,保持石蜡颗粒在沉积前处于熔融状态来模拟真实涡轮叶片上颗粒物的粘附机理,观察没有气膜冷却情况下的石蜡沉积过程和有气膜冷却情况下,不同吹风比和不同射流角度对石蜡沉积的影响,以及石蜡沉积后对平板表面气膜冷却的影响。研究发现石蜡熔融温度与主流温度相接近时,更容易沉积在平板表面,并且石蜡沉积在生长到一定厚度后不再增长。在有气膜冷却的情况下,吹风比从0增加到1.5时,平板表面石蜡沉积先减少后增加,吹风比为0.5时,石蜡沉积最少。射流角度由30°增加到90°时,平板表面石蜡沉积逐渐增多。石蜡沉积降低了平板气膜冷却效率,并且气膜孔间下游区域的温度比气膜孔下游区域更高。     

沉积环境下气膜冷却效率的实验

为了研究燃气涡轮叶片表面污染物沉积对气膜冷却的影响,通过将熔融石蜡喷入到小型风洞中,来模拟真实涡轮中的污染物,用平板近似代替涡轮叶片,在高温主流和低温冷流掺混的情况下,观察不同孔径和粗糙度对实验件表面颗粒物沉积的影响,以及在石蜡沉积后气膜冷却效果的变化趋势。结果表明,相同实验条件下,随着孔径的增大,气膜冷却效率逐渐增大,孔径为10 mm时的冷却效率比5 mm时的高6%左右,同时,平板表面的石蜡沉积逐渐减少,厚度相差0.15~0.20 mm;随着平板表面粗糙度的增加,气膜冷却效率逐渐下降,而石蜡沉积逐渐增多;较石蜡颗粒沉积前,沉积后的气膜冷却效率有较大的下降,效率相差5%左右。