弯曲壁面离散孔气膜冷却数值计算

本文将“Partially Parabolic”流动假设运用于有纵向曲率、有压力梯度、壁面有排孔喷射的弯曲通道内,孔附近气膜冷却流场。支配方程是部分抛物化的Navier-Stokes方程及滞止焓方程。湍流粘性系数由K-8双方程模型决定,而在边界层内层区则采用双层模型。在本文所建议的变步长准正交曲线坐标系下,用有限差分法对平坦通道及弯曲通道凸壁面一侧离散孔垂直喷射及斜向喷射气膜冷却有效温比作了计算。在吹风比较小的条件下,计算结果清楚地显示了三维气膜冷却的特征。与已有的典型实验结果比较,变化趋势是完全一致的。对于吹风比较大的情况,则必须求解完全的Navier-Stokes方程。     

压力面气膜冷却射流端壁效应研究

本文将燃气轮机透平叶片压力面气膜冷却射流对端壁气膜冷却的影响作为研究对象,实验件表面绝热壁面气膜有效度通过压力敏感漆(Pressure Sensitive Paint)技术进行测量,在不同压力面和端壁气膜冷却吹风比条件下获得了端壁表面气膜有效度分布.实验结果表明压力面气膜冷却射流与端壁气膜冷却射流间存在相互干扰,端壁气膜射流在压力面气膜射流的影响下会出现明显偏移和再分布,尤其是端壁下游的气膜覆盖特性对压力面射流极为敏感.同时本文也定量分析了压力面射流的端壁效应,对当地气膜有效度分布进行了多个位置的对比和分析.     

气热耦合多孔气膜冷却流动的数值研究

对具有气膜冷却的某涡轮叶栅,提取中部截面型线进行了平面叶栅的气热耦合数值模拟,研究了多孔射流气膜冷却流动的特点.主流与固壁气流耦合计算表明,冷却气流在冷却腔内的流动过程中,被固体壁面加热,在喷射入主流场之前温度升高幅度较大,使得沿程后部的冷却效果减弱,同时研究了多射流孔附近区域三维定常流动的流场.     

端壁通道间隙对端壁泄漏流冷却的影响

本文针对叶栅通道中端壁间隙的影响进行数值研究,详细分析了有无端壁间隙、不同间隙泄漏流流量和不同间隙射流角情况下端壁表面泄漏流气膜冷却有效度的分布特性。结果表明:端壁间隙会在一定程度上限制端壁表面冷却气膜的扩散分布,主要影响区域为端壁吸力面侧及喉部下游;不恰当的端壁间隙泄漏流会削弱端壁某些局部区域的泄漏流冷却效果;端壁间隙射流角对端壁表面泄漏流冷却效果的作用总体上非常有限,其主要改变某些局部区域的气膜冷却分布。     

涡轮叶栅双排孔气膜冷却数值模拟

采用具有三阶精度TVD性质的有限差分格式、自由型曲面技术以及分区网格算法,对某型具有冷气孔形状的涡轮叶栅进行了全三维N-S方程数值求解,描述了相邻两排冷气射流在叶栅吸力面形成的冷却气膜以及壁面附近冷却射流运动的特点,分析了不同吹风比和喷射角度情况下冷却绝热效率的分布规律。结果表明,在较大的吹风比和喷射角下,交错排列的两排冷却射流运动规律非常复杂,在两排孔之间的区域与冷气孔下游区域冷却气膜的形成规律具有明显的区别。     

超声速气膜冷却中激波抑制的研究

针对激波破坏超声速气膜冷却的机理,本文提出了一种壁面开孔的结构,数值研究结果表明：一方面,壁面开孔的结构能使激波作用的区域壁面附近的压力分布较均匀,从而使近壁区的马赫数分布比不开孔的壁面要高,有利于超声速气膜冷却。同时在激波的作用下,冷却气体可以通过开孔壁面的孔进入槽道内,而在槽内的下游再从孔里流出,保护下游的壁面,这...     

射流注入角对平板气膜冷却特性影响的实验研究

本文对不同射流注入角的典型单排孔冷却结构的平板气膜冷却特性进行了实验研究,研究对象为轴线与主流来流方向分别成30°、60°、90°的射流孔板,对它们在吹风比为0.5、1.0、1.5条件下的射流孔下游的绝热气膜冷却效率分布特性进行了分析.在吹风比M=0.5时,三个射流注入角条件下近孔区域都能形成较好的冷气覆盖效果;M=1.0时,三者的下游横向平均冷却效率基本相同;M=1.5时,注入角60°的条件下冷却效果最好.     

定出流面积条件下气膜冷却孔型的研究

本文采用数值模拟的方法,在保持冷却射流出口面积不变的条件下,分析比较了圆柱形孔、扇形孔、双射流孔和带双肩形孔这几种气膜孔的冷却效果。研究结果表明:对于圆柱形孔,气膜冷却效率在吹风比M=0.5左右效率较高;对于扇形孔,在对应圆柱形孔吹风比M=1.5时的效率要优于低吹风比情况;对于双射流孔和带双肩形孔,在对应圆柱形孔吹风比M=1.0时的冷却效果更好。原因在于高吹风比情况下,圆柱形孔结构中冷却射流与高温主流形成较强的肾形涡,会使冷却气体脱离壁面,并将高温主流卷入冷却气膜层,从而破坏冷却效果,而扇形孔、双射流孔以及带双肩形孔能有效地抑制肾形涡对冷却流的提升作用,从而保持冷却气膜的贴壁性,提高了气膜冷却效率。     

开槽冷却孔结构的耦合传热特性的研究

本文通过数值模拟方法研究了开槽气膜孔的冷却特性和流场分布,通过考虑固体材料的导热影响,耦合分析壁面的热流量,通过对平板结构气膜孔下游的绝热气膜冷却效率的研究,最终提出最佳的流速比。数值模拟结果表明,流速比0.5的工况可以提供较为均匀和稳定的冷却效果和最佳的壁面绝热冷却效率,同时,相比于壁面的气膜冷却效果,材料导热性能对壁面冷却效果起着主导作用。     

圆孔与侧扩孔气膜冷却的大涡模拟

本文对圆孔和带有侧向扩散出口的侧扩孔气膜冷却进行了大涡模拟计算,对温度场和流场的发展进行了比较和分析.计算结果表明,圆孔形成的成股的冷却射流,与壁面分离明显,使得高温主流被卷席入气膜区域;侧扩孔所形成的冷却气膜没有脱离壁面,并且通过两侧的小股冷却气膜扩宽了横向扩散,可以很好地将高温主流排挤到气膜的两侧,因此可以获得更好的冷却保护效果.     

带肋气膜冷却平板的数值模拟研究

本文对不带肋和带45°肋气膜冷却平板的三维对流换热与导热耦合传热问题进行了数值模拟。网格划分采用非结构化网格,湍流模型为SSTκ-ε模型,近壁处采用壁面函数法,采用SIMPLEC算法求解速度和压力的耦合。计算获得了不带肋和带45°肋气膜冷却平板的流场分布和平板内外表面的换热系数值。结果表明带45°肋的气膜冷却平板通道流场结构比较复杂,平板表面平均温度较无肋气膜冷却平板表面平均温度下降,而在近气膜孔区域冷、热表面平均换热系数较无肋时增大。     

平壁气膜冷却流场与温度场的协同分析

本文对不同的二次流射角的绝热平壁气膜冷却流场的速度、温度和壁面有效温比的分布进行了数值研究。计算中二次流的射角分别取为0°、30°和90°,二次流和主流在进口处的吹风比约为1.07。典型算例的计算结果还与实验结果进行了对照,它们的变化趋势是相同的。计算结果表明可以用速度场与温度场的协同关系解释气膜冷却效果的变化规律。     

含化学热沉的气膜冷却流动与换热研究

为了进一步提高涡轮入口温度,提出一种新型气膜冷却方法~含化学热沉的气膜冷却方法。对于新方法来讲,化学热沉的存在会影响气膜孔下游的流场,从而影响主流与固体壁面的换热。建立简化理想化学热沉模型,采用标准k-ε湍流模型对该方法进行数值模拟,结果表明,化学热沉的存在降低了气膜孔出口下游不远处壁面附近的温度,同时增大了壁面处混合气膜与壁面之间的对流换热系数.     

进口旋流对透平双通道叶栅端壁气膜冷却的影响

实验叶栅采用GE-E~3进口导叶叶型,进口马赫数为0.1,进口雷诺数为1.48×10~5。实验中的叶片放大比例为1.95,气膜有效度采用压力敏感漆测量。气膜冷却工质采用氮气,密度比接近1.0。实验中两个相邻叶栅通道的端壁气膜有效度分布同时进行测量,在端壁上游和下游分别取相同位置进行气膜有效度对比。进口旋流采用旋流器进行模拟,旋流器与两个叶栅通道间的相对位置沿周向移动,分别模拟正对叶片A、正对叶栅通道1,正对叶片B,正对叶栅通道2以及正对叶片C五个状态。通过实验可以发现,进口旋流可以主导端壁上游的气膜冷却有效度分布,气膜附面特性并且随旋流核心位置变化明显。在端壁下游区域旋流的影响主要表现为与主流横向流动的合成作用,气膜冷却变化对旋流核心位置移动相对上游不敏感。     

带肋通道和气膜冷却交互下的绝热和耦合传热研究

燃气轮机透平叶片冷却中,内部肋片扰流对气膜冷却效果有显著影响,当边界条件为金属壁面绝热和金属壁面耦合时,冷却效率会有不同的表现。本文采用数值计算方法,分别计算绝热边界和耦合边界条件下,气膜孔进口与内部冷却扰流肋片不同相对位置条件下的绝热气膜冷却效率和耦合条件下的整体冷却效率进行计算。结果表明当气膜进口位于肋后扰流区时,绝热气膜冷却效率较差。绝热边界和耦合边界条件下流场相似,气膜孔与肋片相对位置对于气膜孔下游整体冷却效率的影响与绝热条件相似。     

开槽锥形孔对耦合传热特性的影响研究

本文通过数值模拟的方法对不同开槽孔结构对壁面的流场分布和冷却效率进行了研究,综合考虑固体内部导热和壁面表面对流换热的耦合传热特性,研究了开槽锥形孔和开槽圆柱孔对下游壁面冷却效果的影响。结果表明:在流速比V_r=0.5时,开槽锥形孔的冷却气能更好的被压覆在冷却壁面上,且有较大的横向扩展,对整个下游壁面有较好的冷却效果。     

基于CFD的射流抛光喷射距离的分析和优化

分析了喷射距离对射流抛光效果的影响,基于计算流体动力学进行了喷射距离的分析和优化.通过构建射流抛光不同喷射距离的物理模型,采用能更好地处理流线弯曲程度较大的流动的RNG k-ε紊流模型应用于射流抛光的数学建模,使用SIMPLEC算法对射流模型进行数值计算,得到了不同模型的射流抛光冲击射流流场及工件壁面上的冲击压力、紊动强度、壁流速度分布.根据射流抛光对冲击射流特性的要求,比较和分析不同喷距模型的数值仿真结果,结果显示,射流抛光最优化喷距范围为喷嘴口径的10倍至12倍之间.     

气孔排数对带排气航行体绕流流动影响研究

数值研究了航行体垂直出水过程中单排孔排气、双排孔组合排气对贴体气膜及绕流流场的影响。结果表明,相比单排孔方案,双排孔方案孔排间"逆向流动"诱导气膜覆盖后排孔表面,航行体侧向水流对气膜的剪切作用减弱,排气早期气膜形成速度快,空间尺寸大;孔排间表征马蹄涡位置的分离鞍点随模型运动逐渐推进至后排孔前缘,马蹄涡向下游发展过程中在主气膜两侧分割出局部条状气膜;组合排气后排孔近似垂直航行体表面排气,气孔下游较强肾型涡聚拢气膜两侧气体并将其抬离壁面,某些情况下不利于气膜的周向融合。     

斜孔气膜冷却数值模拟分析

本文通过数值模拟分析圆柱孔和扩散孔的单斜孔气膜冷却特性,考察复合角、孔型和吹风比对流场和气膜冷却效果的影响。结果表明,复合角的引入使气膜侧向分布更宽,但冷却效果沿主流方向衰减更快。适中吹风比得到的气膜能更有效的保护壁面。在相同吹风比和复合角条件下,扩散孔的气膜冷却效率比圆柱孔更好,且冷却更为均匀持久。     

扰流柱布局对网格缝结构气膜冷却特性的影响

为了研究网格缝结构的气膜冷却特性,开展了平板模型试验研究,使用瞬态液晶测温技术测量了缝下游表面的气膜冷却效率和换热系数分布,在相同压比下与圆柱孔进行了气膜冷效对比,同时研究了缝内扰流柱布局对网格缝结构气膜冷却特性的影响。网格缝结构的吹风比范围为0.26M1.25。实验结果表明:网格缝结构的气膜冷效展向分布均匀性比圆柱孔有显著提高,且吹风比增加后不会出现射流脱离壁面的现象;在扰流柱和缝后斜面的作用下,缝下游会形成对卷旋涡,使得最下游一排扰流柱下游的气膜冷效相对较高;扰流柱顺排时,缝下游气膜冷效分布更均匀,大吹风比时,顺排结构的展向平均气膜冷效比叉排结构高出23%~84%,换热系数比高出11%;吹风比M1时,顺排结构的流量系数更高,M1时,叉排结构的流量系数更高。