气膜孔内流动结构对冷却效率的影响

涡轮叶片气膜孔内的流场结构对气膜射流下游的流动有着明显的影响。本文应用数值模拟的方法计算了平板上四种气膜冷却结构的孔内涡流场,从而分析气膜孔内涡结构对气膜冷却效率的作用规律。结果表明:当射流进入气膜孔并发生偏转时,气膜孔内会生成不同强度的旋转涡对;此对涡会导致气膜孔内射流能量的损失,并对主流内的肾型涡产生作用。当孔内涡对与主流肾型涡转向相同时,主流肾型涡湍流强度增加,气膜冷却效率下降;反之,当孔内涡转向与主流肾型涡相反时,主流肾型涡湍流强度降低,气膜冷却效率提升。通过对孔内涡结构的优化,文中所提的两种气膜孔改型结构能够有效地提高气膜冷却效率。     

叶顶下游孔位对气膜冷却特性影响的数值研究

本文通过数值模拟方法对凹槽叶顶区的气膜孔的位置进行了研究,通过将一个下游气膜孔布置在叶顶前缘来研究气膜孔位置对叶顶区传热的影响。数值模拟结果表明,下游区气膜孔被布置到前缘区,改善了叶顶前缘的低绝热冷却效率区,获得了均匀的气膜保护,同时对下游区的气膜冷却效率影响不大,无论是放在前缘第一气膜孔上游还是靠近吸力边布置,下游区绝热效率和平均传热系数几乎不受该气膜孔在前缘位置的影响。     

叶片冲击/气膜复合冷却的数值研究

应用数值方法研究了燃气轮机透平叶片冲击/气膜复合冷却特性。首先对湍流模型进行了考核,根据与已有试验数据的比较,数值计算选用与试验结果吻合最好的SST k-ω模型进行。然后分析了不同吹风比下叶片前缘内部冲击冷却和外部气膜冷却的流动和换热特性。结果表明:冲击室内,平均努塞尔数在叶根处最低,沿叶高方向逐渐增大,从某一叶高处开始在一定的范围内波动。随着吹风比的提高,冲击室内周向平均努塞尔数及其峰值都增大,气膜孔附近的气膜冷却效率降低,气膜孔下游的气膜冷却效率增加。     

基于BP神经网络的多参数气膜冷却效率研究

气膜冷却作为当代燃机高温透平中必需的冷却手段,其冷却性能在多种参数的影响下表现复杂。采用BP神经网络模型对多种几何、流动参数变化下的气膜冷却系统的绝热气膜冷却效率进行预测。选择气膜冷却系统的吹风比、密度比、主流湍流度、面积比和长径比作为神经网络的输入参数,以燃气轮机透平叶片气膜冷却的实际运行工况为范围建立数据库。计算结果表明,采用贝叶斯归一化法训练后建立的气膜冷却神经网络模型在预测精度上要优于经验公式法,而且参数适用范围更广,具有良好的发展应用前景。     

气膜冷却温度场预测的标通量模型评估研究

气膜冷却是燃机高温透平叶片的关键冷却技术，准确高效地预测气膜冷却的温度场对于冷却设计具有重要意义。本文针对圆孔射流密度比(DR)为1、速度比(V R)为0.46的工况，基于大涡模拟(LES)的流场数据，单独求解采用不同标通量模型的时均标量输运方程，对比分析了各个模型的预测效果及其参数影响。评估的标通量模型包括梯度扩散模型(GDH)、广义梯度扩散模型(GGDH)和高阶广义梯度扩散模型(HOGGDH)。结果显示，GDH对射流核心的流向扩散预测较弱，对于温度场的分离再附特征也不能准确捕捉。GGDH和HOGGDH模型能够较好地预测下游扩散，对分离再附现象也有较好的反映。本文进一步指出，GGDH和HOGGDH模型引入雷诺应力从而隐含了垂直于标量梯度的输运模式，使其对温度场的预测更为准确。     

湍流度对单排圆孔及后扩孔气膜冷却的影响

通过传热-传质类比法研究了湍流度对单排圆柱孔及后扩孔气膜冷却效率的影响.计算结果表明,小吹风比M=0.5时,圆柱孔与后扩孔的壁面冷却效率相当,湍流度趋向于在整个下游区域使冷却效果恶化;大吹风比M=2时,后扩孔产生的壁面气膜冷却效率的提高明显,而湍流度的提高强化了冷却剂向壁面的扩散,削弱了冷却气膜脱离壁面的现象,趋向于在整个下游区域提升冷却效率.     

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。     

空冷透平静叶气膜冷却数值研究

为了深入了解空冷透平气膜冷却机理及三维流动特性,对某型燃气轮机透平静叶进行了详细的数值模拟。计算采用三维N-S方程有限体积解法,湍流模型为标准k-ε模型加改进的壁面函数方法,网格为非结构。计算域扩展到多排气膜冷却孔及与其相连的冷气通道内,求解亦包含所有冷却孔内部流动。根据计算结果重点对前缘气膜冷却复杂三维流动以及整个叶片的气膜冷却特性进行分析。     

冲击衬套对于一级静叶气膜孔流量分配和气膜冷却效率的影响

燃气轮机一级静叶冷却结构非常复杂,要提高燃气轮机的设计水平,在现有的结构和设计的基础上,需要进行更加精细化的设计,需要对多种设计因素进行综合考虑,挖掘现有结构的冷却潜力。本文采用数值计算方法,研究了叶栅环境下,冲击衬套的使用对于一级静叶气膜孔流量分配和气膜冷却效率的影响。结果表明,冲击衬套会影响气膜孔的流量分配,而流量分配是传热的基础。同时,冲击腔会改善气膜孔内的流动,在流量不变的条件下提升气膜冷却效率。     

周期性压力波动对气膜孔流动特性影响的研究

针对主流周期性压力波动的非稳态气膜冷却现象,分别采用非稳态及准稳态数值模拟进行了计算,通过对比揭示了非稳态气膜冷却现象的特征。结果表明:相对于主流的压力波动,气膜孔出口受到上一个时刻压力的影响,呈现出了波动延迟特性;针对本文所研究的波形特点,压力波动一方面导致压差(二次流与主流压力差值)变化无法快速直接地影响到二次流流动,阻止了倒流的发生,使得二次流流量更加稳定;另一方面,其携带的压力波动效应使得气膜孔出口形成贴壁性较好的环向外旋涡,将喷射出去的二次流重新带回壁面,使得二次流贴敷壁面。对于某一特定的主流波动特性而言,是存在在最佳设计长径比使得气膜孔质量流量特性及防止倒流特性达到最佳。本文研究对于涡轮周期性压力波动作用下的气膜孔气膜冷却研究具有较大的意义。     

应用分离涡模型计算斜圆柱孔气膜冷却

分离涡模型(DES,Detached eddy simulation)兼有雷诺时均湍流模型计算量较小和大涡模拟计算精度高的优点。本文利用DES对平板单斜圆柱孔的气膜冷却进行了数值模拟,并将结果同RANS湍流模型的计算结果以及实验数据相比较,表明DES能有效弥补RANS湍流模型在计算三维不均匀非定常湍流场的不足,更接近实际地反映了气膜冷却中的流动和换热的本质规律。     

基于多精度代理模型的高效异型气膜孔设计优化和实验验证

为了提升燃气轮机热端部件表面的气膜冷却效果,本文发展了一套基于多精度代理模型的高效气膜孔优化方法,通过对气膜孔孔型进行优化得到最优的气膜冷却效率。与传统的代理模型优化方法相比,本文构建的多精度代理模型优化方法能有效结合实验数据与高精度数值计算,在保证准确度的同时使优化效率提升64.5%。本文针对业界广泛使用的一种气膜孔进行优化设计,选取后倾角、侧扩角和孔长径比作为三个设计变量,采用遗传算法和序列二次规划混合方法进行优化。并采用3D打印和PSP测量技术对优化孔型进行验证,发现和初始孔型相比优化孔型的面平均气膜冷却效率提升39%。本文的工作证明了多精度代理模型在气膜冷却优化方面的有效性。     

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。     

不同吹风比下平面叶栅气膜冷却数值模拟

本文对具有多排冷却孔的某叶栅进行了气膜冷却数值模拟,计算了三种湍流模型在不同吹风比下叶片表面的气膜冷却效率。将数值计算结果与采用压力敏感漆实验技术测量的叶片表面气膜冷却效率分布进行了对比,比较了不同湍流模型的预测准确性,并验证了数值计算对平面叶栅气膜冷却定性预测的可行性。     

变截面主流加速对超音速气膜冷却的影响

本文对扩张通道和直通道中的超音速气膜冷却进行了数值模拟,分析了主流加速和不加速两种情况下超音速气膜冷却的差异.计算结果表明,在主流加速的情况下,超音速气膜冷却的效果要好于相同进口条件下主流不加速的情况,并且这种差异越到下游越明显.同时,在本文计算的工况范围中,无论主流加速还是不加速,增大主流进口马赫数或者减少冷却流进口马赫数都使气膜冷却效率下降,而壁面静压则由主流气体决定.     

超音速气膜冷却及其受斜激波的影响

选取了一组接近超燃发动机内部实际工况的边界条件,对二维平行缝槽形式的超音速气膜冷却进行了数值计算,比较了吹风比、缝槽高度和隔板厚度等因素对壁面冷却效率的影响,并考虑了不同强度的斜激波入射气膜冷却边界层对壁面冷却效果和压力分布的影响.通过回归分析,不受激波影响的超音速气膜冷却的壁面冷却效率可以整理成统一的关联式.计算结果表明,斜激波入射将使入射点及其下游的壁面冷却效率降低,但是这个影响没有向上游传播.     

冷却流通道内流动对气膜冷却影响的大涡模拟研究

本文采用大涡模拟的方法研究了冷却流通道内流动对气膜冷却的影响。计算结果表明:在本文计算的吹风比0.5的情况下,冷却流通道内流动对气膜横向冷却效率影响不大,但对气膜出流流场有较大的影响。同时计算结果还与RANS的结果进行了比较,采用大涡模拟得到的结果更加接近实验结果,同时大涡模拟能得到气膜出流边界层里更多的湍流场细节。     

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.     

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。     

基于流网分析的通流计算冷却模型

伴随着复合冷却技术的广泛应用,冷却透平中主流流动和传热过程的复杂耦合现象日趋显著,有必要在初步气动设计阶段充分考虑冷却对主流气动布局的影响。本文基于流网分析提出了适用于气热耦合通流方法的冷却模型,该模型可针对透平叶片进行快速流热分析,并结合主流气动参数计算结果预测掺混冷气流量分布及掺混损失分布。本文采用该冷却模型对C3X叶型进行了气热耦合通流分析,叶片表面温度分布计算值与实验结果符合良好,说明该冷却模型可应用于气热耦合通流方法,为透平初步气动设计及冷却设计提供一定的借鉴意义。