汽封结构内部流动现象的数值研究

本文采用作者发展的叶轮机械通用计算程序ＧＡＰ１０对带围带汽封和隔板汽封结构的动 叶片排流场进行了三维数值模拟,并着重对汽封结构内部流动结构进行了分析。     

动叶围带顶部泄漏流动对透平级气动性能影响的数值研究

采用计算流体动力学软件CFX-TASCflow数值研究了带围带的动叶顶部间隙内泄漏流动对动叶流动效率以及下一级静叶进口气流角的影响特性.数值模拟了装有不同迷宫式汽封齿数时的动叶顶部间隙泄漏流动特性.揭示了泄漏流动不再是跨叶顶的横向流动,而是在叶顶间隙内沿着轴向流动.给出了动叶顶部间隙泄漏流场的结构,泄漏流与主流掺混后的流场对下游静叶性能的影响.研究结果表明泄漏流与动叶通道内的主流在动叶下游掺混后,改变了上半通道气流的流动方向,使这部分气流偏离设计工况,使下游静叶产生攻角损失.动叶顶部间隙泄漏流有较大的径向速度,在与主流掺混并进入动叶下游静叶后,会向着静叶中叶展处发展,改变静叶上半部流场的结构.动叶顶部间隙汽封齿数增多时这种效果就减小,静叶等熵效率的降低就越少,同时讨论了动叶顶部间隙泄漏流动对透平级气动性能的影响.     

汽轮机叶顶汽封间隙内的流动形态分析

采用k-ωSST紊流模型和三维RANS方程求解方法,数值研究了平齿汽封、高低齿汽封、侧齿汽封和阻旋齿汽封四种叶顶汽封腔室内部的泄漏流动特性和涡系相互作用规律,旨在揭示叶顶汽封结构变化对泄漏涡动的影响。研究结果表明:叶顶汽封腔室泄漏流体的周向速度是影响旋涡耗散的一个重要因素。高低齿及侧齿的汽封结构依靠增强旋涡之间的相互作用来降低泄漏流体的周向速度,而阻旋齿的汽封结构具备更好的周向阻隔作用,可使旋涡在腔室内的耗散更加充分。在汽封出口,阻旋齿汽封的掺混损失最小,泄漏总损失较高低齿及侧齿汽封分别下降了3.55%和0.59%.     

轴流压气机内部流动失稳及机匣处理扩稳机理探索

本文首先利用动态测试手段和非定常数值模拟手段探讨了亚音速条件下叶顶复杂流动机制触发轴流压气机内部流动失稳机制.然后利用全三维非定常数值模拟技术对二种不同处理机匣与亚音速压气机转子叶顶流场之间的耦合流动机制进行了详细的分析,对比分析了处理机匣引入前后压气机叶顶流场结构的变化,研究结果表明:顶部间隙泄漏流所导致的堆积在叶片通道相邻叶片压力面附近的阻塞是触发该压气机内部流动失稳的主要的机制,而处理机匣结构能够抑制或者吸除叶顶区域由于顶部间隙泄漏流导致的阻塞,推迟相邻叶片压力面前缘附近间隙泄漏流溢流的出现,从而提高压气机的失速裕度.     

叶顶间隙对冲压叶轮激波结构的影响

本文采用数值模拟方法研究了带有叶顶间隙的冲压叶轮内部流场结构,分析了叶顶间隙泄漏流对冲压叶轮内部激波波系的影响。研究表明,由于叶顶间隙泄漏流的影响,在叶片展向高度85%以上的区域,冲压叶轮通道内的激波波系受到较大的影响,甚至导致叶尖区域的激波波系完全被泄漏流的影响破坏,并在叶片吸力面形成一道斜激波,形成了新的激波波系,并且由于泄漏流的存在使得流动损失增加。     

轴流压气机转子内流数值模拟及叶顶间隙泄漏分析

本文数值求解N—S方程和Euler方程对比分析单转子轴流压气机内部流场、计算较好地预测了压气机的平均流场及叶尖泄漏涡的生成演化过程。为分析泄漏流动的成因，本文采用简化模型计算泄漏速度。计算与实验结果的时比表明，泄漏流动是无私流动，粘性主要表现为对涡的衰减；泄漏流动由叶片两侧的转了静压控制，粘性在叶片两侧作用持平；给定叶片两侧的转子静压即可由Bernoulli方程求出泄漏速度。     

离心压气机叶尖间隙泄漏流动数值研究

采用离心压气机计算机辅助设计系统,设计了一个离心压气机叶轮,对这一叶轮在不同叶尖间隙下内部流场进行了数值计算。给出了不同弦长截面二次流矢量、二次流流以及机匣壁面极限流线等计算结果。结果表明叶尖间隙的大小与泄漏流动的强度密切相关。分流叶片的泄漏流动随着叶尖间隙的增大而增强。通道涡与合适的叶尖间隙所形成的泄漏涡相互作用可以削弱泄漏强度,改善流动。     

轴流透平与排汽系统间流场相互作用研究

为了研究轴流透平与非轴对称排汽系统流场间的相互作用,对带有单级透平的300/600MW汽轮机排汽系统模型内流场进了模型实验,并用商用软件CFX数值计算了实验工况下带有全周叶栅通道的单级透平与排汽系统内的耦合流场.对比实验与数值模拟结果,二者吻合较好.通过对实验和数值结果分析发现,排汽系统内的非轴对称流场使透平叶栅通道内流动沿周向发生变化,扩压器内出现大的流动分离,排汽系统内总压损失增大,静压恢复系数为负.     

周向弯曲低压轴流风机叶顶泄漏流动数值研究

本文采用数值模拟的方法,对三种带有周向弯曲叶片的低压轴流通风机(原型叶轮、周向前弯及后弯叶轮)的叶顶泄漏流动进行了研究。在数值计算与试验测量结果较为吻合的条件下,从流场和压力场等不同角度分析探讨了叶片周向弯曲后,叶顶泄漏流动和泄漏涡的形成和发展规律。数值计算结果表明,叶顶周向前弯加剧了泄漏涡与主流的掺混;周向后弯叶轮比前弯叶轮有助于减弱叶顶泄漏流动;强度大、衰减慢的泄漏涡,降低了叶顶的通流能力,同时与主流的掺混加剧也增大了叶轮的端部损失;此外,顶部间隙高度的增加,泄漏流动加强,旋涡的起始点更靠近叶片后缘。     

处于部分进汽时动叶片排内非定常流动现象的数值研究

本文在简要回顾了迄今为止对于工作在部分进汽状态下叶片特性的实验和理论研究结果之后,采用作者发展的多通道三维叶片非定常计算程序,对处于部分进汽时动叶片排内的三维流动进行了数值模拟,并对计算结果进行了分析。     

向心透平级内流动的数值研究

本文基于三维N-S方程组,采用结构化网格,用数值方法模拟了一台75 kW微型燃气轮机中涡轮级内的流动。湍流模型采用Baldwin-Lomax模型,计算方法基于Jameson格式。结果表明:静叶流道在吸力面一侧,沿子午流线的前25％区域气流快速膨胀,而压力面在60％以后逐渐膨胀。一定的气流入口角能有效控制导叶内横向二次流动,并使得气流出口角更加均匀,其出口气流的落后角也有明显的减小。在叶轮流道内部的损失区主要集中在吸力面一侧,叶顶间隙的泄漏流动使得吸力面与叶顶间的角隅区的损失有明显加大,控制叶轮的径向间隙对控制流动损失有明显作用。     

轴流压气机时尖泄漏涡的时均流动

用三维激光多普勒测速系统测量研究低速大尺寸单级压气机设计状态转子内尖区流场．结果表明，泄漏流在气流一进入转子叶片通道就开始发生，发生于前半弦长，其诱导形成的泄漏涡约在30％弦长处达到最强，随后逐渐衰减，其涡核顺下游慢慢向压力面方向和低时高方向移动，涡核在转子出口移至通道中部．泄漏涡影响区域沿流向逐渐扩大，并向压力面方向和低叶高方向移动．设计状态叶尖泄漏涡在转子尖区流动中起主要作用，是造成尖部流动阻塞的主要因素．     

离心压气机叶轮内部流动的数值研究:分流叶片的作用

本文对一台单级压比为4/1的离心压气机叶轮内部流动,进行了数值模拟的研究。计算方法基于Jameson格式,湍流模型选择Baldwin-Lomax模型。计算结果为分析叶轮流道内二次流的形成与发展,提供了详细的流动结构。通过对不同通流截面速度分布的比较,发现分流叶片可以延缓横向二次流的发展,降低叶片吸力面扩压程度,减小叶轮出口尾迹的强度与范围,对提高叶轮效率起到决定性的作用。     

Flow field mapping by multi-zone adiabatic passage excitation

This paper describes a robust method for flow field mapping by multi-zone adiabatic fast passage (AFP). It provides a quick and simple way to simultaneously acquire flow profiles at several locations and arbitrary orientations inside the field-of-view. The flow profile is the time-averaged evolution of the labeled flowing material. Results obtained using a carotid bifurcation and jet phantoms are similar to the previous experimental studies employing Laser Doppler Anemometry (LDA), and other flow visualization techniques. In addition, the preliminary results abtained with a human volunteer support the feasibility of the technique for in vivo flow quantification.     

使用非定常无反射边界条件模拟上游尾迹/叶片排干扰问题

本文采用显式时间推进方法求解二维Euler方程计算了上游尾迹与下游叶片排相互干扰而形成的复杂流场。根据Giles提出的理论编制了无反射边界条件非定常计算程序，取得了满意的效果。进口上游尾迹的特性白尾迹模型给定．预测到了尾迹在叶栅流道内的切割，迁移及剪切等重要的非定常现象。     

轴流压气机转子尖区三维紊流特性

用三维激光多普勒测速系统测量研究了低速大尺寸单级压气机设计状态转子内尖区三维紊流流场．结果表明,设计状态下叶尖泄漏涡是造成压气机转子尖部素流脉动的主要因素,其造成的高素流区沿流向逐渐扩大,并缓慢向通道中部和低叶高方向移动,紊流强度值随旋涡的增强而增大．在泄漏涡影响区域中,径向脉动水平最高,轴向和切向脉动水平相近,三个剪切应力中,轴向一径向最大,切向一径向次之,轴向一切向最小．在叶片通道后段,泄漏涡发生破裂,导致更强、更大范围的紊流脉动,剪切应力中切向-径向应力较高．在叶尖吸力面角区后半部的角涡,紊流强度大,剪切应力也大,尤其是切向-径向剪切应力．     

轴流压气机小流量状态转子叶尖泄漏涡的三维流动

用三维激光多普勒测速系统测量了低速大尺寸单级压气机小流量状态转子内尖区三维紊流流场。小流量状态下叶尖泄漏涡产生于更靠近转子叶片前缘,旋涡强度大,发展迅速,在转子内距离前缘约２０％轴向弦长的截面达到最强,在８０％轴向弦长附近发生破裂。泄漏涡是造成转子内尖区流动阻塞和紊流脉动的主要因素之一。在约７５％弦长的轴向截面,吸力面角区发生旋涡流动,造成较强的流动阻塞和紊流脉动。     

轴流压气机转子叶尖泄漏涡和尾迹在静子尖区的传播

用三维激光多普勒测速系统测量了轴流压气机设计状态转子叶尖泄漏涡和尾迹在静子尖区的传播过程。结果表明,转子叶尖泄漏涡和转子尾迹周期地扫过静子通道尖区,导致该区出现周期性的流动阻塞和脉动。转子尾迹在静子通道内追赶上从前一转子叶片通道内下来的叶尖泄漏涡,二者的相互作用和掺混导致静子尖区更为复杂的二次流动。同转子尾迹相比,转子叶尖泄漏涡对静子尖区的影响更为明显和深远。静叶尾部吸力面出现流动分离,分离流同低能物质之间发生相互作用和掺混。     

Experimental Investigation of the Effect of Purge Flow and Main Flow Interaction in a Low-Speed Turbine Cascade Passage

In order to protect the vulnerable turbine components from extreme high temperature, coolant flow is introduced from the compressor to the disk cavity, inevitably interacting with the main flow. This paper describes an experimental investigation of the interaction between the main flow and the purge flow in a low-speed turbine cascade with three purge flow rates, Cm = 0, Cm = 1%, and Cm = 2%. In order to study the effect of the interaction between the main flow and the purge flow on the secondary flows, a Rortex method developed by Liu Chaoquan is introduced to identify the vortex in the flow field. In the meantime, a method to calculate the mean entropy production rate based on the particle image velocimetry (PIV) result is adopted to investigate the flow loss. The PIV result indicates that the purge flow has a prominent impact on the flow field of the cascade passage, changing the velocity distribution that induces a local blockage area. The results of vortex identification show that the purge flow promotes the generation of the passage vortex near the suction side. In addition, the purge flow makes the passage vortex migrate to the tip wall direction, enlarging the region affected by the secondary flow. The mean entropy production (MEP) result shows that the flow loss is mainly caused by the passage vortex. The coincidence of the high-MEP region and the location of the passage vortex indicates that the purge flow increases the secondary flow loss by affecting the formation and the migration of the passage vortex.     

叶片尾缘内冷通道中最佳强化传热的针肋排列结构研究

本文应用湍流模型对涡轮叶片尾缘针肋通道的换热与流动进行了二维数值模拟研究。为了研究通道内针肋排列 方式对换热与流动的影响,对三种不同的针肋排列方式的通道进行了数值模拟计算。比较了顺排和叉排的区别,并提出了 一种沿流向叉排的针肋排列方式,且对各种排列的传热和阻力特性进行了综合分析和比较。