涡轮叶栅气热耦合数值方法与验证

应用三阶精度TVD格式和自由型曲面阿格技术,对涡轮内冷叶片进行气热耦合数值模拟.结合商用软件采用多种湍流模型计算方法的结果进行实验验证和对比分析,结果表明,商用软件采用传统湍流模型对温度边界层的模拟是不合理的,采用考虑转捩的湍流模型,调整转捩起始雷诺数,可以较好地模拟温度边界层的热传导.本文对非转捩区边界层温度的计算结果与实验结果吻合较好.     

气冷涡轮叶片传统热分析中热边界条件的影响

以MarkII气冷涡轮叶片为研究对象,考察了换热系数分布对叶片外表面温度分布的影响。首先分别以温度和换热系数实验值作为热边界条件验证了固体导热计算方法和CFD程序的有效性,然后分析了6种典型热边界条件下的叶片外表面温度分布,并与实验值进行对比。由分析结果可知:叶片外表面温度与换热系数紧密关联,经验关联式(层流、湍流)条件下预测得到的温度偏差较大,当换热系数由能考虑边界层转捩影响的CFD计算得到时,预测得到的温度与实验值较为接近。     

考虑冷气组分扩散的气冷涡轮流场的数值模拟

推导了自然曲线坐标系下时间平均的多组分扩散方程,在原程序基础上增加了对冷气组分扩散方程的求解,以及多组分对比热和气体常数的影响.并对某型两级带冷气喷射的涡轮叶栅进行了全三维N-S方程数值求解.描述了考虑组分变化后的冷气浓度和气体常数在叶栅中的分布,所得比热、温度分布则与不考虑冷气浓度影响的计算结果进行了对比.结果表明,在冷气掺混数值计算中,冷气组分的影响有必要加以考虑.     

三维边界层内诱导横流失稳模态的感受性机理

边界层感受性问题是层流向湍流转捩的初始阶段,在转捩过程中起关键性作用,尤其是三维边界层流动.因此,研究三维边界层感受性问题对进一步理解层流向湍流转捩机理以及湍流成因具有重要的理论意义.采用数值方法研究自由来流湍流与三维壁面局部粗糙相互作用下三维边界层的感受性问题,确定是否能在三维边界层内寻找一种新的横流失稳模态;确定在何种条件下三维边界层内能诱导出定常、非定常的横流失稳模态;探索自由来流湍流的强度、展向波数和法向波数以及三维壁面局部粗糙的大小和结构类型等因素在自由来流湍流与三维壁面局部粗糙作用下三维边界层内被激发出的感受性过程中有何影响,并确定何种横流失稳模态在三维边界层感受性过程中占据何种地位.对自由来流湍流与三维壁面局部粗糙作用激发三维边界层内感受性问题的深入研究,将有助于完善流动稳定性与湍流理论,为层流向湍流转捩过程的预测与控制提供合理的理论依据.     

边界层转捩对风力机气动性能模拟结果的影响

本文采用CFD软件包FINETM/Turbo,选用结合AGS转捩模型的S-A湍流模型,研究边界层转捩对NORD-TANK 500/41型风力机LM19.1叶片三维流场的影响,并与采用-方程S-A和两方程k-ω(SST)模型获得的全湍流计算结果比较.在计算结果与实验数据进行对比的基础上,分析了三维粘性流场的流动细节,探讨了边界层转捩对风力机叶片气动性能和载荷预估的影响,获得了叶片转捩线随风速和沿展向的变化趋势.结果显示边界层转捩使数值计算的叶片性能和载荷增大、边界层分离推迟,为风力机叶片的优化设计提供参考.     

用有限元法计算涡轮气冷叶片二维非稳态温度场

要保证涡轮气冷叶片在受机械载荷,特别是热载荷不断变化的情况下仍能可靠地工作,非稳态温度场的计算是十分必要的.本文时论了气冷叶片二维非稳态温度场计算的有限元方法;计算了征加速工况下一种气冷叶片中截面的非稳态温度场;并对计算结果进行了讨论.     

前缘曲率对三维边界层内被激发出非定常横流模态的影响研究

三维边界层感受性问题是三维边界层层流向湍流转捩的初始阶段,是实现三维边界层转捩预测与控制的关键环节.在高湍流度的环境下,非定常横流模态的失稳是导致三维边界层流动转捩的主要原因;但是,前缘曲率对三维边界层感受性机制作用的研究也是十分重要的课题之一.因此,本文采用直接数值模拟方法研究在自由来流湍流作用下具有不同椭圆形前缘三维（后掠翼平板）边界层内被激发出非定常横流模态的感受性机制;揭示不同椭圆形前缘曲率对三维边界层内被激发出非定常横流模态的扰动波波包传播速度、传播方向、分布规律、感受性系数以及分别提取获得一组扰动波的幅值、色散关系和增长率等关键因素的影响;建立在不同椭圆形前缘曲率情况下,三维边界层内被激发出非定常横流模态的感受性问题与自由来流湍流的强度和运动方向变化之间的内在联系;详细分析了不同强度各向异性的自由来流湍流在激发三维边界层感受性机制的物理过程中起着何种作用等.通过上述研究将有益于拓展和完善流动稳定性理论,为三维边界层内层流向湍流转捩的预测与控制提供依据.     

涡轮动叶冷却结构设计方法Ⅲ:气热耦合计算

三维气热耦合数值模拟是涡轮叶片冷却结构详细设计中应用的热分析方法。三维气热耦合数值模拟的计算域实体模型建立借助于参数化方法,模型包括冷却结构尽可能多的细节、并保证足够高的模型精度。网格生成时,流体域采用结构化网格,并且需要在换热壁面上根据湍流模型的要求进行加密。将管网计算结果与三维数值模拟结果进行对比,发现管网计算的精度有限,而气热耦合计算方法能够捕捉更多流动换热现象,计算结果相对可信。对单个冷却结构方案进行三维数值计算的周期为5～15天,基本满足工程设计要求。     

γ-Re_θ转捩模型在内部冷却叶片中的应用

燃气轮机内部通流冷却叶片的流动传热特性对于燃机的整体效率有着重要的影响,而叶片表面的转捩流场一直是阻碍对叶片冷却性能进行精确分析的主要因素.本文采用SST湍流模型及γ-Re_θ转捩模型对MARK Ⅱ叶型进行数值模拟,通过分析叶栅通道内传热特性以考察该转捩模型的适应性,肯定了该转捩模型对于湍流边界层发生位置判断的正确性,以及对转捩发生点上游叶片表面温度变化趋势的预测的正确性.同时本文指出γ-Re_θ转捩模型与湍流模型结合时可能存在对湍动能过渡抑制的问题,有待进一步研究.     

水下旋成体加热减阻的测力实验研究

1970年Wazzan用研究边界层流动稳定性的小扰动线性理论,导出了包含粘性随温度变化关系的修正Orr-Summerfeld方程,并据此计算了水边界层转捩雷诺数Retr随壁面过热度ΔT的变化规律,指出适当的加热可以显著延迟边界层由层流向湍流转捩。后来在湍流度小于0.2％的环境中所进行的实验证实了数值计并的正确性。这对于有废热排出的热动力鱼雷等水下兵器的减阻具有实用价值。然而,加热时水边界层的