考虑进口温度畸变的涡轮级非定常流动数值仿真

为更好地预测涡轮级非定常流动特征,以准确分析进口温度畸变对下游叶排产生的影响。本文基于有限差分法开发了多级涡轮非定常流动数值求解器,通过试验数据验证其准确性和可行性,利用该求解器针对进口温度畸变进行了单级涡轮非定常流动数值仿真。以某单级高压涡轮作为研究对象,改变进口总温分布条件,设计了在进口总温均匀分布、总温沿径向不均匀分布和涡轮进口存在热斑3种方案下,进口温度畸变对马赫数、叶片热负荷等因素产生的影响,以及高温气流迁移路径的变化规律。结果显示,进口温度畸变对单级涡轮内部流场的影响不大,进口温度径向不均匀分布会导致导叶径向中上部分出现带状高温区域,在60%叶高处的导叶前缘温度最高。这种现象会因热斑的存在而加剧,在同一周期内进口温度畸变不会造成导叶表面最高温值的大幅度变化。主流气体在涡轮流道作加速运动,热斑由椭圆形逐渐变窄,温度降低,在导叶尾缘与脱落涡相互作用,气体受挤压边缘呈现锯齿状。动静交接面后,在动叶前缘和动叶压力面热负荷较为显著,并且在同一周期内进口温度畸变会使动叶表面的最高温值在一定范围内变化,在涡轮流道内进口温度畸变不会使高温气流在径向方向上的发生较大的偏移。     

舰船燃气轮机变几何动力涡轮三维粘性流场的数值分析

基于耦合求解可压缩Favre平均Navier-Stokes方程及Menter的Shear Stress Transport Model(SST)双方程湍流模型,对一个考虑采用可调导叶设计的舰船燃气轮机变几何动力涡轮的全流场进行了三维粘性数值模拟,研究了可调导叶转动导致变几何动力涡轮气动性能变化的流场机理,重点分析了低工况下可调导叶级动叶栅流道内三维分离涡流场的结构特征,指出与定几何动力涡轮相比,由于可调导叶的关小不仅造成可调导叶级动叶处于大攻角三维分离涡流场运行,而且使整个变几何动力涡轮的效率显著下降了1%~5%。     

1.4L柴油涡轮增压器涡端流热耦合分析

涡轮增压器涡端气体的高速流动和换热问题具有一定的复杂性,准确计算涡轮增压器的内流场和外特性具有较重要意义.以一典型的柴油机涡轮增压器为原型,基于CFD流体动力学,进行涡端内部三维湍流和热场的耦合计算.通过3个膨胀比下的涡端内流场和温度场的对比,分析涡端透平在不同工况下的性能表现.研究结果表明:涡轮进口吸力面有明显漩涡存在,流动向工作面偏移,叶片进口位置对流动影响明显,在大膨胀比下更为显著;在叶片进口前端、进口低速区、叶片表面等位置出现局部高温区,沿流动方向和径向均有温度梯度存在,温度分布规律和速度变化规律一致;不同膨胀比下,叶片进口位置压力载荷变化较大,叶片其他位置载荷变化相对稳定.计算预测曲线与试验曲线较为吻合,研究结果能为涡端透平的优化设计提供参考.     

发动机叶栅的实验研究和数值预测

在暂冲式跨音速平面透平叶栅风洞上对某叶栅进行了吹风试验。通过数值预估实验叶栅流场,提供了流场大体结构,设计了实验方案。为选择压力传感器量程和布置测点位置提供了依据。实验测量得到了设计安装角及变工况下叶片表面压力、叶片表面等熵马赫教及波系结构随叶栅进口气流角的变化,并对叶栅内部及出口流场进行了纹影照相。数值预测与试验结果相比较,在大部分情况下,吻合得很好,说明了计算程序的可靠性。反过来,试验结果又可用于检验和改进N.S方程计算程序。     

变马赫数下压力面小翼对扩压叶栅气动特性的影响

为探究变来流马赫数下压力面叶尖小翼对扩压叶栅气动特性的影响,对Ma=0.5、Ma=0.6和Ma=0.7来流马赫数下的原型叶栅和加装不同宽度的压力面叶尖小翼的扩压叶栅流场特性进行了实验研究. 结果表明:在高亚声速的来流条件下,压力面叶尖小翼可以有效减小叶顶两侧压力梯度,阻碍流体流入叶顶间隙,控制叶顶泄漏流动,减小流场损失,改善流场流动状况. 随着小翼宽度的增加,改善程度增大,同时马赫数的变化与控制效果成正比. 当Ma=0.7时,与原型叶栅相比,PW2.0方案的流场改善程度最大,总压损失系数降低了6.53%.     

液力变矩器叶栅绘形的三维模型设计方法

提出在液力变矩器叶栅系统设计中直接建立叶栅系统三维模型，采用一种几何变换方法精确求解液力变矩器叶栅数据，克服以往平面展开近似算法的误差（尤其是轴向抽影图中向心涡轮变矩器其涡轮进口及泵轮出口处其流线切线与轴线几乎平行时，投影计算法误差较大），使设计计算结果更精确，该方法简单易行，可对叶栅系统的空间结构进行更加详细的描述。     

有压管路中阀门关闭特性的数值研究

采用K-ε两方程模型结合大涡模拟模型对水箱管道模型进行了不可压二维数值模拟,采用用户自定义函数（UDF）获取了阀门运动动网格与流场相结合的流域模型,比较了压力进口与速度进口对数值计算的影响,非定常计算时不能选择速度进口方式.给出了阀门关闭动态过程中一些内流参数特征分布,阀前压力集中在200 Hz以下,阀后涡系扩散明显.     

叶片安装角度异常对静子叶栅性能及流场结构的影响

为了研究叶片安装角度异常对静子叶栅性能及流场结构影响,共模拟5个叶栅通道,对来流0°攻角和5°攻角下,中间叶片安装角调节±1°、±5°,和±10°时进行数值计算,得到了安装角调节不同角度对叶栅流场结构及性能的影响.结果表明,0°攻角下,安装角调节角度较小时,对叶栅流场性能的影响也较小;安装角调节角度较大时,叶栅流场结构...     

非定常尾迹对叶栅温度影响的数值研究

本文采用SST k-ω紊流模型对非定常条件下尾迹对动叶栅的影响进行了数值模拟。对动叶500 rpm,100 rpm和2000 rpm条件下的不同截面,以及2000 rpm工况下一个周期内不同时刻的温度等值线图进行分析。结果表明:动叶栅内温度随着动叶转速的增加而增加,而温度随叶片高度的变化几乎可以忽略不计,当于尾迹扫过的频率增加,尾迹带来的湍流强度,抑制了分离区的的分离,进而抑制了动叶尾迹的脱落。     

弯叶片压气机叶栅在不同进口附面层厚度下的特性研究

采用人工加厚叶栅进口附面层厚度的方法,研究了弯叶片压气机叶栅在不同叶栅进口附面层厚度条件下叶栅特性的变化,实验结果表明,叶栅进口附面层厚度增加时,叶栅两端区二次流损失增加,近端壁气流的过转程度加强,正弯曲叶栅中低能流体向叶栅中部的迁移能力降低２。反弯曲叶栅中角区分离加剧。叶栅出口气流角和叶栅扩压能力和叶栅进口附面层厚工密切相关。     

Investigation of influencing factors of hot streaks migration in high pressure stage of a vaneless counter-rotating turbine

Three-dimensional, viscous, and unsteady CFD simulations have been performed in order to reveal the influencing factors of hot streaks migration in high pressure stage of a vaneless counter-rotating turbine. Based on the numerical results, the comparison between the case with inlet hot streaks and case without inlet hot streaks is carried out, which shows that the effect of inlet hot streaks on the load distributions of high pressure turbine airfoils is not notable and the airfoil load distributions are directly related to the inlet pressure distributions. The predicted results also indicate that the circumferential and radial movements of the hot streaks were not observed in the high pressure turbine stator. This means that the combined effects of secondary flow and buoyancy are very weak in the high pressure turbine stator. The numerical results also prove that the circumferential flow angle effect at the inlet of the high pressure turbine rotor, secondary flow effect and buoyancy effect are the mainly influencing factors to directly affect the migration characteristics of the hot streaks in the high pressure turbine rotor.     

风扇级负荷对其进口总压畸变响应特性影响研究

基于不同转子级负荷下的风扇压气机叶排实验特性,应用畸变传递的矩阵分析模型,对不同级负荷下的风扇压气机转子叶排、静子叶排的容进口总压畸变特性进行了详细分析,初步建立了级负荷对总压畸变及其沿轴流压气机叶排衰减特性影响规律。计算结果表明,提高转子级负荷在设计工况附近能有效提高转子叶排容总压畸变能力,但在接近失速工况下其容总压畸变能力明显降低;不同转子负荷下其后静子叶排容畸变特性存在明显差异,这对合理选择风扇压气机设计级负荷尤为重要。     

超超临界汽轮机中压转子冷却效果分析

为了评价超超临界汽轮机中压转子的冷却效果及其对主蒸汽流动性能的影响,以600MW超超临界汽轮机中压缸为计算模型,采用气热偶合数值模拟方法对中压转子的蒸汽冷却进行了研究.计算结果表明,在所研究的冷却结构与冷却蒸汽初参数下,叶根最高与最低温度分别下降19K与95K,中压转子得到了充分冷却.冷却蒸汽增大了动叶温度分布的不均匀性,导致热应力上升.因此有冷却的动叶热应力校核应该是一个重点考虑的问题.     

某型汽轮机调节级气动特性数值研究

对采用寇蒂斯级设计思想、具有局部进气的汽轮机复速级进行了三维整级数值模拟,分析了设计工况下该复速级的流动特点.计算结果表明,气流流出复速级喷嘴后,每个喷嘴组边界流体的散射作用不强烈,在边界上基本只影响了附近的一个叶栅流道,流动的主体方向沿着轴向进行;当级的压比较大,流动达到超音速时,每个喷嘴组出口流动沿周向的不均匀性非常严重,交替出现尾迹低速区和主流低压区,使喷嘴区域内处于不同位置的动叶片受力状态发生较大变化;超音速喷嘴出现的过膨胀低压区,压力在整个级内是最低的,会加剧动叶流道的非定常流动效应.     

小翼对水平风力机流场特性的改变

实验和数值模拟已经证明了风力机叶片的叶尖添置小翼,可以提高风能转化效率。为了清楚地了解小翼对风力机动力放大的影响,对加小翼和不加小翼的风力机流场——速度场和压力场的特性进行了分析。这个分析是基于对风力机加V(8.8×8)型小翼和不加小翼时叶轮周围流场数值模拟的结果。可以看出小翼对风力机的叶端产生的影响较大,即加大了风力机叶端的压差和速度。同时结合一定位置的压力和速度图的分析,可以看出小翼使风力机叶尖的漩涡强度降低,提高了能量的转换,从而提高了效率。     

水平轴风力机叶轮流场的数值模拟

利用GAMB IT建模软件对某大型水平轴风力机进行了整机建模,采用计算流体力学软件FLUENT对风力机整机的流场进行了数值模拟,给出了水平轴风力机流场数值模拟的原理和一般性步骤,得到了风力机流场的压力分布、速度分布,以及叶片截面的流动分离情况等结果.对风力机流场的数值模拟和分析可为风力机叶片的设计、改型和研发工作提供一定的指导.     

通气孔对动叶冷却结构流动和换热特性的影响

为深入研究某型燃气轮高温旋转动叶片内部先进的复合冷却结构,采用三维气热耦合数值计算方法,模拟该叶片外部高温流场、内部前后冷却腔内蛇形折流通道复合冷却结构的流动性能与换热特性,研究前腔蛇形折流冷却通道在采用局部通气孔改进设计的条件下对整个旋转叶片外表面冷却效果与内部冷却通道流阻系数的改善程度。计算结果表明:在给定的冷气流量条件下,无通气孔设计时,叶片内部蛇形折流通道采用的气膜/冲击/扰流复合冷却结构能够对叶片整体带来较好的换热效果,并且叶片内、外表面温度分布都处于合理范围,但由于整个内部折流冷却通道流动阻力较高,导致对冷却气源供应压力要求过大,且前后冷却腔室进口设计压力差别较大;在内冷前腔局部位置设计冷气通孔结构,可有效降低前腔折流通道的流动阻力,在保证叶片换热效果没有受到明显影响的前提下,实现了所需冷气供应压力和冷气量同时显著下降,多腔冷却气体用量得到更好匹配。该改型设计提高了原型叶片的工程应用价值。     

汽轮机静叶栅二次流损失的数值研究

基于有限元有限体积法和全隐式多网格耦合算法,对某汽轮机高压级有一定扭曲度的静叶栅流场进行了三维稳态数值模拟,分析计算了叶栅通道内上下端壁二次流发展的特点及叶栅的气动特性。计算结果表明,叶栅端壁二次流损失与叶型型面及上下端壁面的汽流情况有密切关系。同时揭示了叶栅通道内的涡系演变特点,发现在流道尾部二次流强度发展迅速,在靠近背弧上下端部附近形成两个明显漩涡区,进而引起总压损失系数和出口汽流角沿叶高方向产生明显变化,这对存在一定扭曲度叶栅的气动特性研究及设计有一定的指导意义。     

Effects of operating condition on fish behavior and fish injury in an axial pump

In this study, fish behavior and fish injury at different operating conditions are investigated via numerical simulation to evaluate the fish-friendliness of an axial pump that comprises an inlet pipe, a rotor with six blades, a stator with eight vanes, and an outlet pipe. To precisely obtain the flow field when the fish passes through the axial pump, a hybrid large eddy simulation and immersed boundary method is adopted with the full consideration of the fluid-structure interaction comprehensively. The results indicate that the collision between the fish and the wall of flow components in the axial pump is concentrated near the inlet of the rotor, which results in the complexity of the fish trajectory, especially under the large flow rate condition. It is noted that the fish is likely to move in the reverse direction of the main flow after the impact with the rotor blade if the flow rate coefficient is too large, which increases the possibility of collision between the fish and the rotor blade. It is also indicated that the primary factor affecting the strike injury on the fish when it passes through the axial pump is the strike between the fish and the leading edge of the rotor blade. In addition, the strike injury becomes more significant as the flow rate coefficient increases. Furthermore, the results demonstrate that the fish may simultaneously suffer from strike, pressure, and shear stress injuries, once the collision between the fish and the wall of flow components occurs in the axial pump, thus aggravating the combined damage on the fish. Based on these results, it is recommended that hydraulic machinery should not be operated at large flow rates during fish migration from the view of fish-friendliness.

     

Optimum Profiles of Endwall Contouring for Enhanced Net Heat Flux Reduction and Aerodynamic Performance

Successfully utilized non-axisymmetric endwalls to enhance turbine efficiencies(aerodynamic and turbine inlet temperatures) by controlling the characteristics of the secondary flow in a blade passage. This is accomplished by steady-state numerical hydrodynamics and deep knowledge of the field of flow. Because of the interaction between mainstream and purge flow contributing supplementary losses in the stage, non-axisymmetric endwalls are highly susceptible to the inception of purge flow exit com...