涡轮叶栅冷气掺混数值模拟方法

采用具有三阶精度TVD性质的有限差分格式、自由型曲面网格生成技术以及分区网格算法,对某型涡轮叶栅进行了任意数目冷气孔的薄膜冷却全三维N-S方程数值求解,较为详细的阐述了冷气掺混流场中卵型涡的发展规律。结果表明,本文所开发的求解系统能够较好的实现任意分区的流场求解,对涡轮叶栅中冷气喷射流场的描述是合理的。

涡轮叶栅前缘上游端壁气膜冷却的流场实验研究

对前缘上游端壁有单排和双排孔冷却的大尺寸低速涡轮导向叶栅进行了气动测量、热示踪和端壁流场显示 ,在吹风比 1～ 3范围获得了叶栅内的详细流场、冷气的空间分布和端壁上的流动图案。结合先前测得的没有冷却时的流场数据 ,这些结果表明端壁气膜冷却对叶栅流场结构有重大影响 ,吹风比是主宰射流与二次流间相互作用的主要因素 ,双排孔喷射使冷气比单排孔喷射更贴近端壁。低吹风比喷射冷气不能到达压力面并被二次流逐渐卷离端壁 ;中吹风比喷射有效的抑制了二次流的形成 ,并使端壁流线偏向于无粘流流线 ,冷气很均匀的覆盖在端壁上 ;高吹风比喷射可将冷气抛射到压力面上 ,双排孔情况下甚至使二次流反向 。

涡轮叶栅前缘上游端壁气膜冷却的传热实验研究

对前缘上游有单排和双排孔冷却的涡轮导向叶栅端壁进行了详细的传热实验 ,在吹风比 1 ,2 ,3下获得了当地气膜冷却效率和换热系数 ,结合流场测量结果分析了端壁冷却和换热规律。结果表明端壁气膜冷却在很大程度上受二次流的影响 ,冷却效果主要由吹风比决定 ,低吹风比喷射时 ,压力面附近的一个三角形区域没有冷气的覆盖 ,中、高吹风比喷射可以大幅度提高平均冷却效率并使冷气很均匀的覆盖在端壁上 ,双排孔喷射比单排孔喷射平均效率提高 1倍左右。结果还表明尽管冷气喷射使端壁换热系数随吹风比的增大而显著增大 ,气膜冷却还是能有效的降低端壁的热负荷 ,其中以中吹风比双排孔喷射的效果最为显著。

带尾缘劈缝冷气喷射的涡轮叶栅性能实验及计算

通过平面叶栅实验和CFD数值计算方法,研究了叶片尾缘全劈缝冷气喷射下涡轮叶栅流场和气动性能。试验和计算发现,在冷气喷射条件下用不同损失系数描述涡轮叶栅性能,结论明显不同,用考虑冷气能量的能量损失系数评价气冷涡轮叶栅性能较为准确和客观。在较小的冷气流量下,劈缝冷气喷射使叶栅能量损失降低,尾缘劈缝冷气喷射可改善近尾迹区域的流动,减小尾迹亏损,降低尾迹掺混损失。尾缘劈缝冷气射流方向偏向叶片某型面,则尾迹损失峰值朝此型面偏移。

尾缘喷气方式对涡轮叶栅气动性能的影响

以某涡轮叶栅为研究对象,采用试验和数值模拟相结合的方式研究了涡轮叶片不同喷气结构对叶栅性能的影响。对半开缝和对开缝两种尾缘冷气喷射的研究表明:当冷气流量比较小时,有一个总压损失随冷气量增大先增加后减小的趋势:当冷气量较大时,冷气造成的总压损失随冷气增大而减小。在相同条件下,半开缝叶栅出口的总压损失系数小于对开缝叶栅出口的总压损失系数。叶栅出口平均气流角随着喷气比的增大呈减小的趋势,但变化范围很小。

上游尾迹与涡轮叶栅通道涡相互作用研究

采用三维粘性非定常数值模拟方法研究了上游尾迹与涡轮叶栅通道涡的相互作用,对定常、非定常时均以及瞬时时刻流动机理进行了分析.结果表明:上游尾迹的非定常作用一方面增强了叶栅通道涡的径向涡,使得流动损失增大;另一方面能够一定程度上抑制通道涡中流向涡的发展,对控制损失起到正面作用,端区的综合非定常效应取决于两者之间的平衡.在本文计算条件下,上述两方面综合影响使得通道涡的非定常损失增大.

不同尾缘喷射对涡轮叶栅气动性能的影响

通过尾缘喷气模型与涡轮叶栅流场计算及附面层参数的关联 ,初步提供了能较为准确预测尾缘冷气喷射对尾迹参数分布规律及气动性能影响的理论预测系统。对半开缝和对开缝两种尾缘冷气喷射的研究表明 :喷气流量比增大时 ,两种不同形式叶栅的能量损失系数都有先减小后增大的趋势 ;在相同条件下 ,半开缝叶栅的能量损失系数比对开缝在相应条件下的要稍小一些 ;

内冷涡轮叶栅三维气热耦合数值模拟

为了研究涡轮动叶的内部冷却技术,对采用绝热边界的实心叶片、采用气热耦合的实心叶片和采用气热耦合的空冷叶片进行了研究.发现叶片导热对叶片温度场的影响相当显著;具有带肋蛇形通道和涡流矩阵肋片的内冷结构能使叶片温度大幅下降,但叶片表面温度分布不均匀性增大,换热系数沿叶片表面呈不规则分布.

低压涡轮叶栅流动分离主动控制实验研究

实验研究了低雷诺数条件下射流式旋涡发生器(VGJs)控制的低压涡轮叶栅,实验在西北工业大学吹气式低速涡轮平面叶栅风洞中进行,进口雷诺数范围为19000～260000,自由流湍流度为1%。实验中对VGJs吹气比为0～8,53%Cx,63%Cx和72%Cx射流位置,0°,30°,60°和90°射流偏斜角度,25000,50000和100000雷诺数状态下叶栅出口流场和表面静压进行了测量。研究发现,VGJs有效地控制了低雷诺数条件下叶栅吸力面的流动分离;VGJs需要一个最小有效吹气比,大于此吹气比时,VGJs效果基本上不变,高吹气比VGJs效果稍微减弱;VGJs射流偏斜角越大,控制效果越好,90°偏斜角效果最好;位置对VGJs效果影响很大,VGJs控制流动分离的最佳位置应该在分离点附近;随着雷诺数提高,VGJs效果减弱,更高的雷诺数,VGJs会增大叶片损失。

涡轮叶栅前缘气膜冷却对气动参数影响的数值研究

采用具有TVD性质的三阶精度有限差分格式、自由型曲面技术以及多区域网格算法,对前缘带有三排冷气孔的涡轮导叶进行了气膜冷却数值计算,分析了前缘冷气喷射对涡轮气动参数的影响,描述了叶型表面冷气射流的运动规律。结果表明,冷气喷射导致了流量、马赫数和温度较为明显的变化,前缘和吸力面获得的绝热效率高于压力面,压力面冷气射流的运动规律比较复杂。型面压力只在冷气孔区域有明显的波动。

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。

大间隙涡轮叶栅流场结构的研究

对具有 3.6 %相对叶顶间隙涡轮叶栅的三维流场进行了实验和数值模拟 ,分析了大间隙涡轮叶栅流道内的涡系结构。结果表明在叶顶间隙内部和上半叶展出现了复杂的分离涡系 ,在上半叶展存在叶顶泄漏涡、上通道涡、吸力侧脱落涡、压力侧叶顶脱落涡和被泄漏流吹向下游的尾缘涡系的相互作用。

涡轮叶栅叶顶间隙泄漏流动实验研究

针对一种高负荷涡轮叶栅,利用低速矩形叶栅风洞实验研究叶顶间隙泄漏流动.研究了不同叶顶间隙和不同来流冲角情况下,涡轮叶栅的流场结构和气动性能.研究工况包括无间隙,0.5%、1.0%、1.5%叶高间隙和±10°、±5°、0°冲角.通过五孔探针获得矩形叶栅出口截面上总压、气流角以及速度分布;通过叶片表面开设的静压孔,获得叶片中部以及靠近叶顶截面的叶片表面静压分布.实验结果表明:叶顶间隙的存在增强了叶栅顶部的二次流动,恶化了上半叶展的流动状况,涡系结构发生了改变.随着叶顶间隙的增大,叶栅总压损失增加,气流偏转不足/过偏现象加剧;随着冲角的增大叶栅总压损失增加.

冲角变化对涡轮叶栅内间隙流动的影响

航空发动机涡轮工作效率的损失很大程度在于涡轮叶尖间隙损失,而叶尖区域泄漏流动的形成机理强烈地依赖于叶栅的运行工况,因此有必要研究来流冲角的变化对涡轮叶栅内间隙流动的影响。为此在低速风洞中对三套不同叶片积迭线形状的矩形叶栅进行了实验,测量了间隙内以及沿流动方向8个横截面的气动参数。通过对实验结果的分析和讨论,认为随着冲角的增加叶顶压差与端壁流道横向压力梯度增大,同时叶栅的总流动损失也随之增加。

低雷诺数涡轮叶栅损失的实验与数值模拟研究

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。本研究的目的是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 Jameson中心差分格式和 Runge- Kutta时间推进的方法求解N- S方程完成 ,实验是在西北工业大学低速涡轮平面叶栅实验风洞进行。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 40 0 0 0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。

涡轮叶栅外换热系数计算

采用求解三维雷诺平均Navier-Stokes(N-S)方程和带转捩模型的二方程Shear stress transport(SST)湍流模型,完成了MARKⅡ,VKI两个高压涡轮导叶叶栅及一个VKI高压涡轮动叶叶栅的外换热系数计算.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外换热系数的计算精度.

跨声速涡轮叶栅三维流场的数值模拟

以具有试验测量数据的一个高压涡轮动叶中截面平面叶栅和一个高压涡轮导向器环形叶栅为对象,采用计算流体动力学(CFD)软件CFX-TASCflow,对两个涡轮叶栅的跨声速三维粘性流场进行了数值计算,验证了CFX-TASCflow软件在航空燃气涡轮设计计算中的可靠性,并对所研究的跨声速涡轮叶栅粘性流场进行了分析.

喷射角对涡轮叶栅端壁气膜冷却传热的影响

在大尺寸低速平面叶栅风洞中,对前缘上游有单排气膜孔的涡轮导向叶栅端壁气膜冷却进行了详细的传热实验。在喷射角为25°,35°和45°以及吹风比为1,2,3下测量了端壁面上的局部冷却效率和换热系数,并由此计算出了叶栅实际工作状态下的端壁热负荷。着重研究了喷射角对端壁气膜冷却的影响。数据表明减小喷射角度虽然能够显著的提高冷却效率,但同时也明显的增大了换热系数,最终的冷却效果取决于端壁热负荷的大小。

上端壁翘曲对涡轮叶栅流场的影响

利用N S方程求解程序 ,对采用不同端壁结构的三套大转角涡轮叶栅进行了数值模拟 ,探讨了上端壁翘曲对涡轮叶栅内气流流动的影响。计算结果表明 ,上端壁翘曲后 ,上半翼展内的二次流流场发生了明显的变化 。

气冷涡轮叶栅效率的计算方法

将气冷涡轮叶栅中的冷气与主流在边界层中的掺混模型和在边界层外的掺混层中的掺混模型结合起来，建立了一个预估气冷涡轮叶栅效率的计算模型。根据该模型利用回转面叶栅无粘流场的计算结果和二维叶面边界层流动的计算结果来预估气冷涡轮叶栅的效率。该算法为气冷涡轮叶栅的优化气动设计提供了一个计算手段。