非设计攻角下气膜冷却掺混损失模化研究

气膜冷却能够对涡轮叶片表面起到良好的保护作用,但是在非设计状态下,边界层、冷气与主流的相互作用对涡轮气动性能产生不利影响。采用数值模拟的方法,研究了不同来流攻角下冷气的气动参数对掺混损失的影响规律。根据冷气与主流的动能比将主流与冷气的掺混过程分为低吹风比和高吹风比两种典型的模式。当动能比大于1时,掺混损失与动能比存在着线性关系;当动能比小于1时,掺混损失与吹风比存在着线性关系。基于主流与冷气不同的掺混模式并考虑攻角的影响,发展了一种预测非设计攻角下掺混损失的模型进行了初步验证。结果表明,大部分工况下掺混损失的预测结果与数值模拟结果的偏差在10%之内。     

透平叶栅气膜冷却损失分析

本文通过数值模拟的方法,研究了在不同吹风比条件下透平叶片压力面和吸力面气膜冷却对叶栅气动损失的影响,采用损失分离方法,分析了各部分损失的变化规律。结果表明,气膜冷却引起的损失与冷气射流与主流的动能比成正比;孔内损失随吹风比迅速增加,高吹风比下不可忽略;低速条件下温差传热不可逆损失是气膜冷却不可逆损失的主要来源;气膜冷却有可能减小边界层内的损失。     

端壁横向射流对高速扩压叶栅性能的影响

通过数值模拟研究了不同射流缝长度以及射流总压比对端壁横向射流抑制横向二次流动和减小损失作用效果的影响,结果表明:采用与流向具有一定夹角的横向射流可有效抑制端区二次流动,减少角区低能流体堆积,推迟吸力面流动分离,提高出口气流角均匀性。仅采用不足叶栅进口流量0.3%的射流气体,就能使总压损失系数降低11.3%。增加射流缝长度的或者提高射流总压均可增强其减弱分离流动的效果,但射流与横向二次流相互作用导致的冲击和掺混损失也增大。     

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。     

冷气掺混对高压涡轮流场结构影响的数值分析

燃气涡轮发动机中的冷气与主流掺混会带来一定的气动损失,造成发动机总体性能下降。本文在三维N-S程序的基础上,引入一种较为简单的冷气射流计算模型,对一级高压涡轮含有冷气掺混的三维流场进行了数值分析,揭示了冷气掺混对导叶流量特性及损失分布的影响,并通过涡轮叶片排二次流动结构的分析初步探讨了冷气掺混损失机理。     

冷气喷射对缩放型流道涡轮叶栅性能及流场影响的数值研究

本文利用数值模拟方法详细研究了缩放型流道叶栅中从六个不同轴向位置处以不同的质量流量比喷射冷气对叶栅流场性能的影响,对比分析了能量损失系数、叶表静压分布、流道内马赫数分布等,结果表明冷气喷射对叶栅性能的影响和内伸波的影响是不同的。叶栅性能的变化主要是由于冷气喷射导致叶型损失的变化引起的,当冷气从吸力面内伸波作用位置附近及前缘滞止线附近喷射时,冷气与主流的掺混剧烈且持续到叶栅出口处,使得叶栅损失增加;当冷气从压力面和吸力面喉口位置处射流时,叶栅损失减小。在吸力面内伸波反射点附近射流时,由于冷气的滞止作用使得冷气孔前的压力增大,进而减小内伸波前后压差,减弱内伸波强度。     

涡轮叶片尾缘劈缝气膜冷却特性实验研究

本文将层板冷却应用于涡轮叶片尾缘冷却中。为了研究肋形状对其劈缝气膜冷却特性的影响,在四种吹风比下,实验测量了直肋和倒斜角肋两种肋结构下的气膜冷却效率和换热系数,结果发现:1)倒斜角肋结构在劈缝下游的气膜冷却效率分布比直肋更均匀,倒斜角肋结构的平均气膜冷效高于直肋结构;2)两种结构的换热系数在劈缝出口处受吹风比影响较大,相同吹风比下,倒斜角肋结构的换热系数略高于直肋结构。     

进气方式对冲击与气膜组合冷却效果的影响

通过数值模拟的方法,研究了涡轮叶片弦中区所采用的新型双层腔冷却结构的冷却特性,系统分析了冲击与气膜组合冷却的流动与换热特性,讨论了冷气进口雷诺数Re、吹风比M以及进气方式对组合冷却效果的影响.计算参数范围是:冷气进口雷诺数Re=2000～5000,吹风比M=0.6～2.0.计算结果表明:冷气进口雷诺数、吹风比以及冷气的进气方式对组合冷却效果均有很大影响.(1)冷气进口雷诺数越高、吹风比越大,组合冷却效果越好.(2)反向进气时的组合冷却效果明显好于正向进气时的组合冷却效果.     

蒸汽轮机抽汽口几何参数和工况对流场的影响

用数值模拟的方法对大功率蒸汽轮机抽汽口及抽汽道内的三维粘性流场进行了分析,研究了蒸汽轮机抽汽口几何参数(抽汽缝宽度、集汽室形状、抽汽缝位置)和工况参数(抽汽量)对抽汽口流场、周向压力不均匀度、流动阻力的影响．并将计算结果与实验结果进行了比较。研究结果表明:增加抽汽量必然引起静压周向不均匀度系数和抽汽口总压损失系数的增加。抽汽缝宽度减小会引起抽汽口的流动阻力大幅度增加,从而减小相对抽气量和增大抽汽端差。集气室形状和抽汽缝位置的变化对相对抽气量、静压周向不均匀系数以及总压损失系数的影响不明显。     

发散孔横向波纹隔热屏气膜冷却特性研究

针对航空发动机加力燃烧室的冷却,采用横向波纹隔热屏结构和全气膜冷却相结合的高效冷却方式,利用CFD软件,计算分析了吹风比、波长、波幅等结构、气动参数对气膜冷却效率以及热侧换热系数的影响规律。结果表明:随着吹风比的增加,平均绝热冷却效率变大,当吹风比M2.0后,绝热冷效不再随着吹风比的增加而进一步增大,存在最佳吹风比M=2.0;波长和波幅的变化对平均气膜冷却效率的影响很小,但是对对流换热系数有很大的影响,对流换热系数随着波长的增大而降低,随着波幅的增大而升高;此外,对流换热系数随吹风比的增大而升高,在气膜均匀覆盖后趋于定值。     

复合冲击和复合旋流冷却特性的对比研究

针对应用旋流冷却和气膜冷却对涡轮叶片前缘区进行冷却系统设计的科学命题,首次建立了包含冷气腔、冲击/旋流腔、气膜孔和燃气主流通道的复合冲击和复合旋流冷却模型,利用数值方法在相同几何和气动条件下对比了复合冲击和复合旋流冷却的流动换热特性.研究结果表明:冲击孔/旋流喷嘴流量沿X方向逐渐增大,吹风比沿X方向先增大后减小.复合冲击冷却的气膜孔流量和吹风比沿X方向略有增大,复合旋流冷却气膜孔流量和吹风比沿X方向减小.复合旋流冷却平均Nu比复合冲击冷却提升13.0%.气膜孔会扰动冷气流动,使附近小范围区域Nu提升.与复合冲击冷却相比,复合旋流冷却气膜孔的冷气流量和速度大,肾型对涡强度高,绝热气膜冷却效率减小.     

透平静叶叶身全覆盖气膜冷却有效度实验研究

燃气轮机透平叶片气膜冷却性能受到吹风比、曲率、压力梯度等多种因素的影响。本文采用压力敏感漆(PSP)技术研究了燃气轮机静叶气膜冷却的冷却性能,实验测量了不同吹风比下全覆盖气膜的冷却有效度,并结合单排孔冷却的实验结果进行分析。结果表明：随吹风比增大,压力面冷却有效度递增,吸力面受曲率和压力梯度影响,冷却有效度先递增后递减;前缘射流在低吹风比下附壁效果较好,高吹风比下由于复合角造成冷气向中叶展汇聚;通过对比单排冷却的叠加结果与全覆盖实验结果的误差,研究了Sellers叠加模型在叶栅条件下的适用性。     

带肋横流进气方式下的圆柱形孔气膜冷却特性

采用可进行全表面测量的瞬态液晶传热测量技术,实验研究了带肋横流进气方式下,不同横流雷诺数(Re_c=100000,50000)和吹风比(M=0.5,1,2)对圆柱形孔气膜冷却效率和换热系数比的影响,结果表明:受横流进气方式的影响,气膜冷却效率和换热系数的空间分布都呈现出一定的不对称性;相同吹风比下,横流雷诺数越高,冷却效率越高,而且在大吹风比下,这种影响更为显著;相同横流雷诺数下,换热系数比均随吹风比的增大而增大,气膜冷却效率则是随着吹风比增大先升高后降低;在大吹风比、低横流雷诺数工况下,气膜孔出口和孔间会形成强换热区。     

出流角对旋转涡轮叶片前缘气膜冷却影响

基于频闪拍照和稳态液晶测温技术,实验研究了不同气膜孔出流角对旋转态整级涡轮叶片前缘外壁面的气膜冷却特性的影响。实验中,叶片前缘处的主流雷诺数为6.3378×104。实验转速为574 r/min,对应的旋转数为0.0018。平均吹风比从0.5变化到1.25。射流采用N2,其对应的密度比为1.04。结果表明:展向平均气膜冷效是随吹风比的增加而单调增加的,其中最佳吹风比为M=1.25。对于所有吹风比,在-4.3相似文献   

等离子体气动激励对气膜冷却特性的影响

采用大涡模拟方法研究了锯齿电极等离子体激励器气动激励对圆形孔和扇形孔平板气膜冷却效率和气动损失的影响。结果表明:锯齿电极激励器气动激励产生的动量注入效应促使边界层流体加速而提高了冷却气流向下游的延伸能力;锯齿电极激励器气动激励诱导的反肾形涡对削弱了肾形涡对的强度与尺度,减少了下游冷、热流体间的掺混,使得扇形孔的中心线和展向平均气膜冷却效率相对于圆形孔最大提高了130%和300%,肾形涡对控制区内的掺混总压损失显著减小;锯齿电极激励器气动激励导致气膜孔内的流动损失略有增大而使其成为影响总压损失的重要因素;锯齿电极激励器气动激励导致圆形孔的熵增升高了26%,但使得扇形孔的熵增减小了41%。     

多孔介质模拟用于气膜冷气流动研究的尝试

本文采用多孔介质模拟与带真实气膜孔流动模拟方法,对平板气膜孔模型在低速条件下进行对比研究,以确定适用于涡轮冷却叶片气膜冷气与主流流动影响研究的多孔介质模拟方法。结果表明,采用流场参数进行多孔介质关键参数迭代计算,可以简化多孔介质方法在气膜冷气流动模拟中的应用。多孔介质模拟方法可以在较小的网格量下,获得较为详细的流场信息,对气膜冷气的流量、冷气射流速度、掺混平均的速度剖面、掺混损失、充分掺混区的平均气膜冷却效率、绝热壁温等进行较为准确的模拟。     

进口附面层形式对压气机叶栅端区流动特性的影响研究

为探究进口附面层形式对轴流压气机叶栅端区流动特性的影响,本文以某高亚声速压气机叶栅为研究对象,基于数值方法对比分析常规和倾斜两种进口附面层形式对叶栅角区分离和叶尖泄漏流流动特性以及总体性能的影响。结果表明：进口倾斜附面层使端区来流的攻角和进口速度增加。在无叶尖间隙时,倾斜附面层能够缩小角区分离的轴向和周向范围,提高扩压能力,相比常规附面层工况,总压损失降低6.3%;1%叶高间隙下,倾斜附面层能够降低叶尖泄漏流相关损失并减少尾迹与主流的掺混损失,总压损失较常规附面层降低15.3%。     

基于有限元计算的微流控聚焦装置液滴生成特性分析

研究微流控聚焦装置液滴生成特性是液滴微流控芯片结构优化设计的基础。利用水平集方法结合有限元技术建立了微流控聚焦装置内液滴生成过程的数值计算模型,并分析了分散相与连续相流速比、微流道几何结构对液滴生成机制和液滴生成特性的影响规律。在一定的流速比、微流道入口宽度比范围内,均生成了性态良好的液滴。当分散相与连续相入口宽度比大于1时,液滴尺寸随连续相入口宽度、连续相流速的增大而减小,液滴生成频率随连续相入口宽度、连续相流速的增大而增大;当分散相与连续相入口宽度比小于1时,液滴尺寸随分散相入口宽度增大而增大,随连续相流速的增大而减小,液滴生成频率随分散相入口宽度、连续相流速的增大而增大。数值计算结果表明：微流控聚焦装置液滴生成受几何结构、流速及两相流体物性参数的耦合作用,模拟计算的结果可为微流控聚焦装置结构优化设计提供指导。     

涡轮叶片端壁槽缝气与离散气膜孔冷却特性实验研究

真实发动机涡轮叶片端壁为曲面造型,并且其冷却受槽缝气、泄漏流和离散气膜冷却多种冷却气叠加影响,同时又受到主流二次流影响,因此呈现复杂冷却特性。为研究接近真实发动机涡轮叶片端壁构型和工况下的气膜冷却特性,本文采用高速风洞(主流雷诺数为37万)及压敏漆(PSP)技术,研究了槽缝气、泄漏流以及离散气膜对曲面端壁的气膜冷却效率的影响,并针对不同冷气流量比对端壁气膜冷效的影响规律进行了对比分析。结果表明:端壁表面气膜冷效随着槽缝气流量比增大而增大,当流量比增大到1.71%时,槽缝气膜几乎可以覆盖整个端壁表面;与槽缝气相比,端壁表面的离散气膜冷气覆盖范围较为有限,端壁压力面侧下游区域气膜覆盖较差;在喉部之前,随着流量比增大,离散气膜冷效呈现下降趋势;在喉部之后,随着流量比从1.3%增大到1.9%,离散气膜冷效呈现上升趋势;与仅有离散气膜相比,包含槽缝气、泄漏流、离散气膜的全气膜覆盖更为均匀,全气膜冷效的叠加使得端壁冷效相比仅有离散气膜时整体提高了93.4%。     

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。