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。     

涡轮动叶冷却结构设计方法Ⅰ:参数化设计

基于冷却结构参数化设计、传统的管网计算方法与新兴的气热耦合数值模拟技术,提出了一套涡轮冷却结构设计方法,并编写了相关的设计程序与计算程序。利用参数化设计方法可以快速而精确地设计冷却结构,管网计算用于指导方案设计,气热耦合数值模拟用于指导详细设计。参数化设计中利用单元设计法程序实现动叶冷却通道快速设计;借助管网计算模型自动生成程序与CFD计算域三维实体快速造型方法,可以快速生成管网计算或在较短的时间内完成CFD计算域精确建模,为热分析计算提供条件。     

压气机变形叶片的网格生成及区域分解方法

针对压气机优化设计和多学科分析对网格自动可靠生成方法的需求,建立了一套集叶片几何参数化建模、多块结构化网格生成、区域自动分解、叶片自由变形于一体的多功能网格生成系统。基于椭圆型微分方程法和O4H型拓扑结构,建立了压气机单叶道流域的三维分块结构化网格生成方法,改进了适合于变形叶片及网格的自由变形方法,自主开发了相应的计算程序,并用NASA Stage35对方法及程序进行了验证。结果表明网格生成质量较好,特别是近壁网格正交性和光滑性俱佳;改进的自由变形方法能够保持网格周期性和轮毂轮盖几何形状;流场计算结果与实验数据吻合良好。研究工作对发展多级高速轴流压气机优化设计和多学科分析系统具有重要参考价值。     

涡轮导叶气膜冷却结构半反设计优化方法

气膜冷却技术是高性能燃气涡轮设计的关键。本文研究并建立了涡轮叶片气膜冷却结构的半反设计优化方法。此方法以叶片的一维传热模型为基础,通过约束叶片的气膜冷却效率分布实现对叶片温度分布的半反设计;提出了基于三维CFD计算结果建立半反设计优化数学模型的方法,并采用组合优化问题遗传算法寻优得到满足设计约束且冷气量最小的气膜冷却布置方案。研究表明,气膜冷却半反设计优化方法能够设计叶片气膜布置方案并得到必要的冷气量,同时具有较高的设计效率。     

内部冲击构型对气冷涡轮气热耦合计算影响的对比研究

为了评估复杂冷却涡轮内部冷却结构变化对涡轮气动及传热性能的影响，本文采用气热耦合计算方法对三种具有不同内部冲击结构的高压导叶进行了研究。分析了无冲击冷却结构、冲击挡板结构以及冲击套筒结构对涡轮气动及传热性能的影响规律。结果表明：在气动性能方面，无冲击冷却结构方案总流量最大，带有冲击套筒结构方案最小，同时涡轮气动效率也会随着内部结构的变化而变化；在传热方面，通过对比可以发现两种冲击方案都会对叶片表面最大温度进行降低，但冲击套筒结构方案同时还能够降低叶片表面平均温度。     

燃气涡轮静叶考虑叶型及冷却结构的气热耦合优化

为通过气热耦合优化计算改善叶片表面温度场,提高叶片气动效率,编制了气热耦合气动和冷却结构参数化方法程序及网格自动生成程序,采用该程序对燃气涡轮静叶进行了考虑叶型及冷却结构的气热耦合优化。优化结果表明:对叶型及冷却结构优化后,形成解集中气动效率分别提升0.3%和0.17%,主流流量仅变化0.116%和0.058%,高温函数降低38.55%、51.6%,叶片表面最大温度降低5.6 K、6.9 K,平均温度降低5 K、7 K。通过分析,前缘第一腔高温区雷诺数的增大以及第三腔低速回流区的减小是改善叶片温度场的主要因素;根中截面的型面压差的减小导致横向二次流损失的降低是减小气动损失的主要原因。     

深度学习方法在涡轮冷却中的应用综述

涡轮冷却技术是涡轮设计的关键技术之一.涡轮冷却结构的表面温度和压力均为复杂的三维分布,但目前的设计体系仍基于低保真度的一维管网,深度学习可能是提升涡轮冷却设计保真度的一种有效手段.本文总结了几种纯数据的神经网络模型和几种与物理规律结合的神经网络模型在涡轮冷却问题中的应用.通过巧妙地将涡轮冷却问题看待为图像、序列和参数的...     

涡轮动叶冷却结构设计方法I:参数化设计

基于冷却结构参数化设计、传统的管网计算方法与新兴的气热耦合数值模拟技术,提出了一套涡轮冷却结构设计方法,并编写了相关的设计程序与计算程序.利用参数化设计方法可以快速而精确地设计冷却结构,管网计算用于指导方案设计,气热耦合数值模拟用于指导详细设计.参数化设计中利用"单元设计法"程序实现动叶冷却通道快速设计;借助管网计算模...     

基于全叶片曲面参数化方法的涡轮气动优化

为进一步挖掘涡轮性能潜力,实现气动优化参数化降维,减少优化耗时,基于全叶片贝塞尔曲面参数化方法、多岛遗传算法和CFD求解器构建了涡轮三维优化平台。通过建立涡轮叶片吸压力面展开曲面和贝塞尔曲面的参数化映射,全叶片贝塞尔曲面参数化方法实现了叶片吸力面和压力面的同时变形控制,减少了优化控制变量,具有型面光顺性和构造便捷性。对TTM跨音涡轮开展全局气动优化设计研究,结果表明：优化历时约70 h,涡轮设计点绝热效率提升0.48个百分点,流量增加0.97%,膨胀比下降0.32%,验证了曲面参数化优化方法对涡轮气动优化问题的有效性、工程实用性和降维特性。     

进口温度不均匀对气冷涡轮叶片传热的影响

本文对带有复合冷却结构的航空燃机高压涡轮导向叶片进行了气热耦合数值模拟研究,分析了温度径向分布不均匀和存在"热斑"涡轮进口条件下对气冷涡轮叶片传热的影响,研究发现进口温度径向不均匀分布在涡轮叶片径向中上部形成相对集中的带状高温区域,并使下游气膜冷却效果降低,热斑的存在进一步加剧对叶片局部区域的热冲击,复合冷却结构能够比较有效地降低由于进口温度不均匀所形成叶片表面局部高热区域的热负荷。     

基于NURBS的叶片全三维气动优化设计

采用NURBS对叶轮机械叶片的关键截面和基迭线进行参数化表达,该表达方法为基于现代优化算法的叶片粘性气动最优化设计提供设计变量,以实现对叶片截面和叶片基迭线弯、倾、扭、掠变形的控制。该方法编写成的叶片全三维控制模块和网格自动生成程序、CFD程序集成到商业软件iSIGHT中,构成了叶片全三维粘性气动优化设计平台。在该平台上选用ASA成功进行了某透平静叶片的全三维粘性气动最优化设计。实验结果表明通过同时改变叶片截面和叶片基迭线的方法能够有效地抑制叶片的二次流损失,因此该设计平台在叶片气动优化设计中有广阔的应用前景。     

流场自适应叉树网格数值模拟三维复杂超声速流场

建立了基于分区结构网格的三维贴体叉树形网格的数据结构,并阐述了在此基础上进行自适应分裂/合并判别方法.为节省网格量和保证流场结构捕捉质量,提出对自适应程度进行区域性控制,以及对流场结构进行"保护"性预加密的优化方式.通过应用该网格对三维复杂超声速流场算例的计算,证明该方法对网格加密控制方便,对流场结构分辨率高.     

结合前沿推进的Delaunay三角化网格生成及应用

采用一种新的混合网格生成方法,生成复杂区域的非结构化网格.结合前沿推进法和Delaunay三角化两种非结构网格生成方法的特点,在边界处采用前沿推进法进行三角形初始网格的生成,在边界区域内部采用Delaunay三角化方法自动生成内部节点.分析表明,该算法简化网格生成过程,能够快速有效地生成非结构化网格.在计算时间以及网格的均匀性方面与其他方法相比具有一定的优势.最后,用混合网格生成方法生成方柱绕流的计算域网格,并运用基于特征线方程的分离算法进行流场计算.     

基于数值模型的涡流发生器参数设计

涡流发生器(VG)是一种优秀的抑制流动分离的气动附件,安装VG造成的计算域复杂的拓扑结构及巨大的网格数限制了数值模拟方法在VG参数设计时的应用。针对某大型风力机叶片运行过程中需要进行流动控制的实际情况,利用三角形VG的二维统计模型及三维数值模型设计VG的高度、安装位置等参数。首先采用数值模型进行参数初步选择设计,最后利用实体建模的方式进行验证。计算结果表明,通过调整VG的高度及安装位置,实现了翼型最大升力系数的有限增加(约11%),同时小迎角阻力基本不发生变化,较大攻角阻力明显减小的目的。     

模拟涡轮叶片内冷通道方管和锥形管换热的实验研究

1引言在现代燃气涡轮发动机中，涡轮叶片内部设计了各种复杂的冷却通道结构，通人冷却空气，使工作状态下涡轮叶片温度降低，发动机得以安全运转。为此对干旋转情况下各种冷却方式换热效果的研允具有一定的现实意义。本课题时旋转状态下的方形等截面通道和收缩通道的局部对流换热特性进行了初步实验研究。为了近似地模拟叶片的冷却通道，本实验设计了光滑壁面的等截面方形通道、截面为矩形的收缩通道的实验模型。试验模型垂直于试验台的旋转轴转动，冷却气流流动方向向外。通道的热边界条件为等热流。2基本理论分析和实验研究旋转状态下的动…     

内部对流换热对导叶冷却效果的影响

根据导向叶片的曲面结构,运用SST κ-ω湍流模型,在不同冷气入口压力条件下,对涡轮叶片型面的冷却效果进行了数值模拟.计算针对两种情形,即叶片内部有对流换热的情形和无对流换热的情形.结果表明:随着冷气入口压力的增加,叶片有无内部对流换热的冷却效果也在增加;有内部对流换热的冷却效果较纯气膜冷却的高,尤其是在叶片前缘;增加叶片内部的对流换热系数,冷却效果随之增加.     

复杂区域上的一种结构网格生成方法

讨论复杂区域上的一种结构网格生成方法,其主要思想是:以变分形式的Winslow网格生成方法为基础,通过引入网格解扭机制和网格面积均匀化技术,构造出一种新的离散泛函,进而采用一类优化算法求解这一离散泛函的极小化问题,得到所希望的网格.通过分析及大量数值实验表明,这一方法比较健壮,针对二维复杂区域通常能够生成几何品质较优的网格,它在保持Winslow方法优点的同时,克服了它的一些缺点.     

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。     

多级轴流压气机三维气动设计的一种快速方法

本文提出了一种适用于多级压气机的快速三维数值气动设计方法,该方法的核心是应用一种快速网格生成技术和NS方程求解器之间不断的相互迭代,最终得到各叶片排的三维叶片造型。首先给定流量,压比和压气机子午通道的几何形状。在初始设计阶段通过计算得到各叶片排沿叶高周向平均的进出口气流角分布,并把其作为计算的目标参数。然后通过网格生成和NS求解之间的迭代,不断调整目标参数,直到计算收敛。应用本方法设计了一台具有三个重复级的实验用轴流低速压气机。     

三维非结构网格自动生成

采用各向异性平面非结构网格生成技术对曲面的参数平面进行三角剖分,从而得到曲面的非结构网格,作为三维非结构网格的边界网格.应用推进面法生成网格内点,增量法将生成的内点逐点插入现有网格进行网格细化,得到三维计算域的Delaunay非结构网格.讨论了非结构网格质量优化方法.给出几个算例说明方法的应用.