Interaction Mechanism and Loss Analysis of Mixing between Film Cooling Jet and Passage Vortex

The interaction between the film-cooling jet and vortex structures in the turbine passage plays an important role in the endwall cooling design. In this study, a simplified topology of a blunt body with a half-cylinder is introduced to simulate the formation of the leading-edge horseshoe vortex, where similarity compared with that in the turbine cascade is satisfied. The shaped cooling hole is located in the passage. With this specially designed model, the interaction mechanism between the cooling jet and the passage vortex can therefore be separated from the crossflow and the pressure gradient, which also affect the cooling jet. The loss-analysis method based on the entropy generation rate is introduced, which locates where losses of the cooling capacity occur and reveals the underlying mechanism during the mixing process. Results show that the cooling performance is sensitive to the hole location. The injection/passage vortex interaction can help enhance the coolant lateral coverage, thus improving the cooling performance when the hole is located at the downwash region. The coolant is able to conserve its structure in that, during the interaction process, the kidney vortex with the positive rotating direction can survive with the negative-rotating passage vortex, and the mixture is suppressed. However, the larger-scale passage vortex eats the negative leg of the kidney vortices when the cooling hole is at the upwash region. As a result, the coolant is fully entrained into the main flow. Changes in the blowing ratio alter the overall cooling effectiveness but have a negligible effect on the interaction mechanism. The optimum blowing ratio increases when the hole is located at the downwash region.     

向心透平级叶轮内三维复杂流动的数值研究

对向心透平叶轮内部复杂流动在级环境下进行了全三维黏性数值模拟,结合拓扑学原理分析了设计工况和非设计工况下其内流动分离及各种涡系发展的演变过程,初步建立了向心透平叶轮内的旋涡模型,阐述了流动损失的形成机理。研究表明:向心透平叶轮内部涡系与轴流式透平存在较大差别,且流动分离及涡系主要集中在吸力面侧;设计工况下向心透平叶轮内的主要旋涡包括马蹄涡、通道涡及泄漏涡,其主要表现为通道涡与泄漏涡相互影响和掺混,是主要损失的形成原因;非设计工况下,主流在叶轮叶片前缘处发生大范围的分离及回流,造成了较大的能量损失,但二次流损失所占比例较小。     

通道涡稳定性及对损失的影响

采用具有TVD性质的三队精度Godunov格式,对均匀加载叶型及后部加载叶型所构成的叶栅在不同弯角下的流场进行了数值模拟。详细研究了叶片弯曲后对通道涡截面拓扑结构的影响。发现叶片正弯后有利于使通道涡在结构上变得稳定;同时也指出;与常规叶片相比,二次流损失较小的后部加载叮型所构成的叶栅内的通道涡在结构上较为稳定。本文进一步分析了通道涡结构的改变对损失的影响;并指出使通道涡在结构上变得稳定的边界条件可能有助于减少二次流损失。     

扩压叶栅叶顶间隙流动结构研究

本文对某扩压叶栅叶顶间隙流动结构进行了研究,通过三维数值仿真,对叶顶间隙流场中的旋涡结构构成、空间分布及相互作用关系进行了分析.研究采用Q判据识别流场中的涡,发现叶顶间隙气流的泄漏流动形成了叶尖分离涡、二次涡以及泄漏涡等旋涡结构,其空间位置及空间尺度具有明显差别。叶尖分离涡的堵塞作用对泄漏涡的强度、空间位置造成影响;在叶顶泄漏流动与泄漏涡的共同作用下形成了叶尖二次涡。涡系间存在的相互作用共同构成了叶顶间隙流场框架。     

扩压叶栅端壁角区流动结构和紊流特性

三维激光多普勒测速技术测量了扩压叶栅叶片和端壁相交的角区中的流动结构和紊流特性。实验结果表明,角区中端壁附面层和叶面附面层的堆积使得叶面附面层变厚;角区内存在较强的通道涡,随流动向下游发展,通道涡核心远离叶面;在前缘产生的马蹄涡逐步消失;通道涡使得角区的紊流动能增加,并影响雷诺正应力的分布。     

小展弦比透平动叶栅二次流涡系演变及气动特性数值分析

采用控制容积积分法和协调一致压力修正算法数值求解三维稳态时均N-S方程组,对一小展弦比透平动叶栅在旋转状态下的二次流涡系演变和三维气动特性进行了分析。计算结果表明,该叶栅上下端壁通道涡在叶展中部交汇,在该处产生强烈的横向流动并引起叶展中部能量损失急剧增加,使损失沿叶高的分布由常见的双驼峰型变为单驼峰型,同时还使叶展中部出口气流的欠偏转角大幅度增大。     

涡轮叶栅端壁区非定常流场显示

用氢气泡法流场显示技术,获得了不同攻角、不同径向间隙下涡轮平面叶栅端壁区内各种旋涡的发生、发展、涡－涡干涉、涡－附面层干涉的非定常流动图画,加深对涡轮端壁区流动结构的认识。     

前缘逆主流喷射冷气时涡轮叶栅流场性能研究

前缘逆主流喷射冷气对壁面静压有明显影响;冷气与主流掺混及卵型涡的形成导致近叶片表面处能量损失增加;吸力面或压力面根部出现与通道涡旋向相同或相反的涡系;卵型涡能够以一定形式保持到叶栅出口并与尾迹作用,使出口处气动参数剧烈变化．     

透平叶片中的二次流旋涡结构的研究

当今在透平机械行业中的研究人员常常会被二次流旋涡结构的研究所吸引。本文作者主要用数值计算,部分地也用实验手段,试图研究、分析与讨论叶片通道中马蹄涡、通道涡、角隅涡和间隙涡等二次流旋涡的生成、演绎与发展。对于壁涡由于尺寸很小而不容易发现。现在应用弯扭叶片作为一种手段来降低叶片损失的人多了,从而需要对弯扭叶片对上述旋涡的影响进行研究。因此,本文对周向弯扭叶片的影响以及其对损失影响的机理也进行了讨论。     

前缘弯掠子午加速叶轮尾缘脱落涡的研究

本文采用DPIV实验研究方法,在不同转速工况下,对开式前缘弯掠子午加速风扇转子叶尖涡在叶轮尾缘的脱落流动现象进行了测量.结果表明:在不同转速下,转子尾缘处均存在明显的叶尖涡流动现象.该叶尖脱落涡流动现象具有相似性,随着转速的增大,叶尖涡区和吸力面之间的径向速度差增大,叶尖涡强度随转速增加而增强.随着转速的增大,叶尖涡和主流相互作用加剧,涡量负值增大,叶尖涡影响区域也逐渐扩大.径向速度梯度同样随转速增大而增大的结果,增强了叶尖涡对尾迹区作用的影响.最后,本文通过CFD对该开式风扇叶尖涡流动现象进行模拟,其结果给出了相似的叶尖涡在转子尾缘脱落流动现象,为前缘弯掠开式子午加速风扇在户室中央空调室外机上的应用和风机系统的优化设计及其降噪研究提供了重要的内流数据.     

大功率汽轮机静叶栅损失发展的实验研究

对亚临界60万千万汽轮机高压第九级静叶原型和改型两套环形叶栅在零冲角下在低速风洞下进行了吹风实验研究.实验结果表明,与原型叶栅相比较,改型叶栅明显降低了流动损失.在设计工况下改型叶栅流道内的流动状况更为稳定,显著降低了二次流损失、端壁损失、吸力侧流动损失、尾迹损失.     

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．     

弯曲时片压气机时栅内二次流的数值研究

本文应用Ｂｅａｍ－Ｗａｒｍｉｎｇ近似隐式因子分解格式以及ＭＭＬ代数湍流模型,采用拟压缩性方法求解雷诺平均拟压缩Ｎ－Ｓ方程组,对弯曲叶片压气机叶栅内的三维粘性流场进行了数值研究．结果表明,正弯曲叶栅内通道涡较直叶栅强,其诱导产生的壁面涡较弱且位于吸力面与壁端的角区内,与壁角涡接近．在正弯曲叶栅出口处,通道涡开始处于破裂前期,叶栅总损失增加。反弯曲叶栅通道涡较弱,其诱导的壁面涡很强,位于通道涡左上方,壁面涡和通道涡的有利作用,使通道涡更稳定,叶栅总损失比直叶栅和正弯曲叶栅要小．     

压气机叶栅壁面拓扑和二次流结构分析

本文从涡动力学原理出发，根据实验测量和流场显示结果，对压气机平面叶机的壁面拓扑和叶栅二次流结构进行了研究．由叶栅壁面拓扑分析和二次流结构可知，叶栅的通道涡较强，出口集中脱落涡和角区分离泡的存在，造成了叶栅两端区较高的二次流损失，并且随叶栅来流冲角的提高，旋涡出现破裂，二次流损失进一步提高．     

前缘弯掠斜流转子叶顶间隙流动特性数值分析

本文对前缘弯掠斜流转子叶顶间隙内的流动特性进行了数值分析。结果表明:叶顶间隙气流与主流发生卷吸而生成泄漏涡。泄漏涡作用的区域具有较低的压力分布。在叶片通道内,泄漏涡沿着与转子旋向相反的方向朝相邻叶片的压力面移动。大间隙时的泄漏涡比小间隙时强烈。低流量时泄漏涡的作用区域比高流量时大。在各种流量特性下,叶顶尾缘近吸力面区域都存在着二次间隙流。     

不同长度端壁翼刀对跨声速压气机叶栅二次流影响的数值研究

对可控扩散叶型(CDA)环形叶栅和4种具有不同长度和流向位置的端壁翼刀叶栅内的三维黏性流场进行了数值模拟。结果表明:较长翼刀对气流横向流动的阻断作用较强,较短翼刀产生的附加损失较小;加装翼刀后叶栅中部气流流动状况显著改善,但端壁附近损失有所增加;翼刀加装在流道前部比后部更有利于降低总能量损失,占据前1/2流道的翼刀方案为本文最佳翼刀方案,使叶栅总能量损失比原型叶栅低2.2%。     

带根部间隙压气机静叶流道流动结构研究

本文采用数值模拟的方法对某低速压气机静叶流道内的流动结构进行了研究。设计工况下,带根部间隙的静叶流道中主要存在三个大尺度旋涡结构,分别为上通道涡、刮削涡和集中脱落涡,这些涡系在生成和发展过程中相互作用,流道内总奇点数先增加后减小,但都严格遵循了流道奇点数拓扑法则。     

叶轮机械中的泄漏流与泄漏涡

本文基于非正交曲线坐标及非正交速度分量下完全守恒型的N-S方程,采用整体H型网格,用数值方法研究叶轮机械中的泄漏流动。对于不同的间隙尺寸,对于环壁静止与旋转的不同壁面条件,揭示了泄漏流与通道二次涡相互作用的细节,揭示了泄漏涡的生成与发展过程。     

考虑熵层效应的扫掠激波/湍流边界层干扰特性研究

为了探究熵层对扫掠激波/湍流边界层干扰特性的影响规律,采用仿真方法对尖鳍/钝板物理模型进行研究。结果表明：扫掠激波上游的熵层厚度随着平板前缘钝化半径的增大而增加,同时边界层厚度也随着熵层厚度的增加而增加。熵层的引入并不改变扫掠激波/湍流边界层干扰固有的准锥形相似特性,也不会改变拟锥原点(virtual conical origin, VCO)的位置,仅会改变干扰形成的上游影响线和分离线的角度。扫掠激波/湍流边界层干扰形成的锥形主旋涡和角涡的尺度随着熵层厚度的增加而增大。上游熵层的引入增大了下游扫掠激波/湍流边界层干扰区的总压损失,但扫掠激波/湍流边界层干扰自身造成的相对总压损失并不受上游熵层的影响。     

S型叶尖小翼对风力机流场特性影响的研究

在额定尖速比下,结合滑移网格的大涡模拟方法,对有无叶尖S型小翼的三叶片水平轴风力机流场特性进行了数值研究,结果表明:加装S型小翼后,改善了风轮上游的速度及压力分布情况,汲取了更多的风能;风轮压力面及吸力面的最大压差由1359 Pa提高到1756 Pa,使风轮功率放大;叶尖涡结构扩展规律与PIV(Particle Image Velocimetry)实验结果一致,叶尖涡轴向速度由15.6 m/s降低到了13.3 m/s,涡漩能量减少,叶尖涡涡量强度减弱,降低了气动噪声。