叶片尾缘劈缝射流尾迹相干结构数值研究

为揭示射流速比对尾迹流场及相干结构的影响规律，以叶片尾缘劈缝射流尾迹为研究对象，在非定常数值模拟结果基础上，采用快速傅里叶变换（Fast Fourier Trans form，FFT）和本征正交分解（Proper Orthogonal Deeomposi—tion，POD）得到不同射流速比时尾迹脉动速度的频谱特性和POD模态及模态系数的频谱特性，研究表明：采用SAS（Scale Adaptive Simulation）湍流模型得到的计算结果与PIV实验结果吻合较好；不同射流速比时，尾迹中大尺度相干结构特性发生变化，导致回流区形态和空间尺度发生改变；上、下板尾缘脱落涡的主导结构均为卡门涡，但是不同射流速比时其脱落频率发生较大改变；射流速比的变化导致上、下板某一侧的旋涡强度增强，向下游输运距离更远，上、下板尾缘卡门涡的强度及空间尺度呈不对称性。

劈缝射流尾迹特征的实验研究

本文以简化透平叶片模型为对象,采用热线风速仪和粒子图像测速技术研究了尾缘劈缝射流尾迹结构,结合本征正交分解方法分析了不同射流速度比对尾迹时均特性、脉动特性以及旋涡运动特性的影响规律。结果表明:低动量射流时下板上表面流体分离,该侧剪切层在尾迹中振荡,影响旋涡配对和输运机制,模态中出现特殊带状结构;随射流速比增大,最大尺度旋涡强度增大,促进射流与主流剪切掺混,尾迹速度亏损更快被弥补,高阶频率脉动结构减少,动能损失小,因此在劈缝射流中应避免采用低动量射流。

基于强化换热的偏斜尾缘设计

采用SST湍流模型对偏斜尾劈缝射流的流动结构与传热特点进行模拟分析,研究不同尾缘射流速比,入口攻角及偏折角对于尾缘位置边界层状态、涡流结构、尾迹形态及流动损失的影响规律。结果表明:偏斜尾缘劈缝射流的使用能够有效改善尾缘位置的换热性能,射流对于尾缘折转区的冲刷作用使得吸力面侧得到较好的冷却;偏斜尾缘的采用也能够有效抑制大入口攻角下吸力面的负压梯度;过大的转折区将在下游引起较大的尾迹涡,并造成更大的尾迹损失;根据不同入口条件,存在一个最佳的射流偏折角。

透平叶片尾缘冷却结构唇板构型对流动和传热的影响

为了提高尾缘冷却效果和降低叶栅气动损失,采用SST k-ω模型研究简化的压力面射流冷却结构唇板构型对冷却效果的影响。结果表明:唇板改型可以提高射流出口段的传热强度,但会增大气动损失;在研究范围内抬升一倍下板尾部边界层厚度时综合效果最佳;速比0.5和1.0时,原型的射流出流后向上抬升,在下板表面附近产生低速区,降低当地传热强度;速比0.5时,原型下板尾缘出现分离区,并与板后的回流区发生掺混,改型结构增强射流刚性,分离点后移;改型结构在不同速比下的传热系数均有所增强,平均传热系数在3个速比下分别提高了26.31%、34.72%和15.33%,其中速比1.0的综合传热因子最高,传热系数增加的幅值最大,且总压损失增加不显著。