叶片前缘气膜冷却离散孔下游湍流特性试验研究

以NASA发布的燃气轮机叶片为研究对象,风速设定为10m／s;以热膜风速仪为测量工具,在气膜冷却叶片压力面和吸力面下游指定位置沿不同叶高湍流度进行测量。实验结果表明：随着射流比的增大,压力面和吸力面主射流掺混中心有上移的趋势且掺混中心扰动强弱受当地吹风比影响较大;在压力面叶片型面曲率梯度较大处,沿壁面流动的风速增大导致回流、扰动加强及混合流体的贴壁性变差;吸力面流体近尾流区域在大吹风比下扰动反而减弱;叶片表面的湍流度受到射流比、壁面曲率梯度大小及方向等多方面因素的影响。     

非定常尾迹对复合角度叶片传热性能影响的数值研究

应用标准k-ε紊流模型及SIMPLE算法,在非定常环境下,通过直径分别为2,4,6mm的圆柱(尾迹宽度)来模拟燃气轮机静叶产生的尾迹,分析1个周期内展向倾角为45°时,射流孔中心线与叶片表面的夹角分别为30°,45°,60°的3种复合角度动叶表面的传热特性。结果表明:1个周期内动叶全表面努塞尔数明显不同;随着动叶复合角度的增大,尾迹使压力面传热效果增强,吸力面传热效果减弱;不同宽度尾迹对压力面传热效果的影响明显高于吸力面,而尾迹宽度为4mm时,下游动叶全表面的传热效果最佳。     

多向扰流换热管管内传热与流动特性数值模拟

采用Realizable k-espilon湍流模型对不同雷诺数下的多向扰流换热管进行数值模拟,首先在光滑管中进行数值模拟,并与经验公式进行对比,验证了该数值方法的可靠性;其次研究了该换热管的结构参数及雷诺数的变化对努塞尔数和阻力系数的影响,进而分析出同一雷诺数下槽深比、节距比的变化对湍流动能和出口温度分布的影响,最后归纳出努塞尔数和阻力系数随结构参数及雷诺数变化的准则关联式。结果表明:随着结构参数的变化,多向扰流换热管的传热与流动性能都会发生显著的变化;当节距比和雷诺数不变时,努塞尔数、阻力系数、湍流动能都随着槽深比的增大而增大;当槽深比、雷诺数不变时,努塞尔数、阻力系数、湍流动能随节距比的增大而减小。研究表明多向扰流传热特性优于光滑管,可以起到较好的强化传热作用,准则关联式可为强化换热提供理论指导。     

燃气轮机旋转状态下的动叶气膜冷却效果数值模拟研究

采用数值模拟的方法研究了旋转对叶片气膜冷却效果的影响,详细对比了不同吹风比下叶片在旋转和静止状态下的气膜冷却特性,并用平均气膜冷却效率和不均匀系数评估了气膜冷却效果。结果表明：在叶片压力面,叶片的旋转使得射流气体从气膜孔流出后法向动量增大,与主流掺混作用加强,从而使得叶片压力面气膜冷却效率值低于静止状态;在叶片吸力面,叶片旋转使得冷却气体流出后法向动量减小,能够更好地贴附在叶片表面向下游流动,使得旋转时叶片吸力面气膜冷却效率要优于静止状态,并且叶片后沿的平均气膜冷却效率较静止状态有显著提高;旋转状态下叶片表面的不均匀度系数要略大于静止时叶片表面不均匀度系数。     

燃气涡轮导叶冷却结构设计及数值模拟

为设计一套适用于燃气轮机第1级涡轮导叶的高效冷却结构,将一套涡轮传热设计方案应用于涡轮导叶冷却结构设计中,数值模拟结果表明:中后部冲击射流能够有效冲刷叶片内表面,降低了叶片吸力侧中部壁面温度,同时形成较大漩涡结构降低压力侧中部的壁面温度;通过设计,得出冷却结构最大外壁面无量纲温度为0.849,冷却效率为0.651,设计目标冷却气体的流量为127 g/s,实际流量93 g/s;采用该设计流程能够有效降低冷却结构设计的盲目性,使冷却结构设计更加灵活方便。     

单/多狭缝射流冲击柱状凸形表面流动和换热特性

为分析单狭缝、双狭缝和四狭缝射流冲击柱状凸形表面的流动换热特性,应用Realizable k-模型对其展开数值研究。通过与实验数据对比验证了数学模型的适用性,比较探讨了单、多狭缝冲击射流的流场分布、边界层分离现象和冲击换热特点。结果表明:单、多狭缝射流冲击柱状凸形表面,气体分别在流动阻力和相邻狭缝射流逆向相遇阻力形成的逆压梯度作用下,发生边界层分离;随流动发展,多狭缝射流在相邻射流逆向相遇作用下,Nu迅速下降至最低值,随后在逆流作用下有所回升;每狭缝具有相同雷诺数Re条件下,当狭缝数目增加时,Re的增加对提高平均努塞尔数Num的效果相对较小,当无量纲曲率半径(D/B)增大时,Num对Re的变化更加敏感,增大Re将有效地增加表面Num;狭缝射流总流量一定时,狭缝数目越多,Num越小,局部努塞尔数Nu分布越均匀。     

燃气轮机叶片气膜冷却及换热特性研究

采用数值仿真软件,选用Realizable k-ε双方程湍流模型,对燃气轮机交叉孔叶片进行气膜冷却仿真研究;搭建实验平台,研究不同吹风比下的叶片冷却效率和对流换热系数;将仿真结果与实验数据进行对比,结果表明理论值与实验值具有一致性。最后得出结论:叶片前端气膜孔位置冷却效果最佳,沿着主气流方向,气膜冷却效果逐渐减弱;叶片吸力面的气膜冷却效果比压力面好;随着吹风比增大,气膜覆盖效果增强,冷却效率提高。     

整流罩结构对电机机座表面对流传热特性的影响

为了尽可能地降低全封闭风扇冷却（TEFC）电机各部件的温升,避免过高温升对绝缘结构的破坏,采用数值计算方法研究了整流罩结构对TEFC电机机座表面对流传热特性的影响。首先,对一台样机进行温升试验,绕组温升的仿真值与试验值的误差为6.2%,验证了数值计算方法的可行性。其次,在数值计算时将样机三维模型做必要的简化,着重研究了整流罩外径、整流罩端面与翅片端面的间距以及电机转速对机座表面横向平均努塞尔数的影响。最后,结果表明机座表面翅片结构一定时,存在一个最佳的整流罩外径值使机座表面的对流传热效果最佳;整流罩端面与翅片端面接触时,机座表面的横向平均努塞尔数最大,同时机座表面的对流传热能力随着风扇转速的增大而增大。     

宽尾墩体型对阶梯溢流坝阶梯面掺气和消能的影响研究

宽尾墩与阶梯溢流坝结合的新型消能工,有效的解决了我国高坝泄洪建筑物由于高水头和大单宽流量等引起的高速水流问题。本文应用水汽两相流VOF模型和三维RNG-紊流模型,采用有限体积法进行区域离散,速度与压力的耦合方式采用PISO算法,利用几何重建格式的非恒定流迭代求解,对宽尾墩收缩比分别为0.7、0.445和0.4的Y型宽尾墩+阶梯溢流坝+消力池消能方式中阶梯面掺气特性和消能特性进行了数值模拟,模拟结果显示,各收缩比条件下,沿程平均掺气浓度略有波动,但总体呈减小趋势,随收缩比减小,阶梯面掺气范围减小。在前几级阶梯面,掺气充分,沿阶梯水平固壁面向外,掺气浓度呈先减小后增大的趋势,而沿阶梯垂直固壁面向下,掺气浓度先增大后减小,相同断面处平均掺气浓度随收缩比减小而增大。在掺气末端的阶梯面上,沿阶梯水平固壁面向外,掺气浓度逐渐增大,而沿阶梯垂直固壁面向下,掺气浓度逐渐减小,相同断面处平均掺气浓度随收缩比减小而减小。阶梯溢流坝消能率随宽尾墩收缩比的减小而增大。     

某燃气轮机第1级叶片气膜冷却换热特性分析

利用附加源项法,对某台燃气轮机开设多排气膜孔的第1级叶片外侧换热特性,包括叶片表面温度、气膜有效度和换热系数的分布进行计算及数值分析,并对叶栅换热特性进行了数值验证。结果表明,预测值Nu与试验值吻合较好;在压力面,叶片外表面温度平均可降低40%,平均气膜有效度约0.7;吸力面温度平均降低30%,平均气膜有效度约0.5。但是,在压力面20%相对弦长区域、前缘驻点和吸力面尾缘处的温度较高,气膜有效度较低。所给出的叶片外侧换热特性,可作为叶片内部结构的设计依据,通过在叶片内部前缘驻点和压力面20%相对弦长区域采用冲击冷却、增加吸力面尾缘冷却气体流量可降低该区域所受到的热负荷,从而使叶片能够均匀冷却。     

多孔介质表面火焰最小稳燃空间实验研究

为考察以多孔介质壁面为进气壁面的微燃烧器的最小稳燃空间,该文以多孔介质表面平面火焰为对象,以甲烷/空气预混气为燃料进行点火及熄火实验研究。实验中采用与多孔介质表面平行的可控温铜板来模拟燃烧室壁面,详细考察了不同燃料当量比和预混气流速时,铜板壁面温度对点火距离和熄火距离的影响。实验结果表明：当量比处于0.9～1.0之间最容易点火;在相同的当量比下,随着预混气流速的增大,点火距离先逐步减小后增大。随着平板壁面温度的提高,点火距离和熄火距离同时减小,分析认为,热熄火是其熄火的主要因素。     

涡轮叶片蒸汽/空气冷却特性的实验和数值研究

利用红外热像技术对某重型燃气轮机第一级涡轮动叶叶片在高温风洞中进行了涂层表面温度的测量,并对蒸汽和空气冷却形成的表面冷却效率分布进行对比。基于气热耦合数值方法对该叶片进行仿真研究,进一步详细对比叶片涂层外表面及涂层底层的冷却效率及其分布规律。结果表明:涂层表面的冷却效率分布特征在蒸汽冷却和空气冷却时基本一致;涂层的隔热效果在蒸汽冷却时更为明显;冷却介质消耗量一致时,蒸汽冷却使叶片涂层的压力面及底层表面冷却效率分别比空气冷却提升23.9和25.5个百分点,对于叶片涂层的吸力面这一对比分别提升17.3和21.7个百分点。     

缩放型冷却孔结构参数对燃气轮机动叶气膜冷却效果的影响研究

为了增强燃气轮机动叶的气膜冷却效果,提出一种缩放型气膜孔结构,采用数值模拟的研究方法,模拟了吹风比M?1.0、主流湍流度Tu?5%时,分别带有扩张角度??0?、??5?、??10?和??15?的4种缩放型冷却孔叶片的气膜冷却效果,并用平均气膜冷却效率和不均匀系数两个新型评价指标辅以评价叶片冷却效果。研究结果表明:缩放孔型的扩张角度由??0?增加至??10?的过程中,无论是在叶片压力面还是吸力面上,气膜冷却效率整体呈递增趋势,其纵向平均气膜冷却效率和横向平均气膜冷却效率逐渐增大,不均匀系数降低,冷却效果增强。当扩张角度增大至??15?时,相对于带有??10?孔型的叶片,其压力面和吸力面上的气膜冷却效率出现下降,纵向平均气膜冷却效率和横向平均气膜冷却效率减小,不均匀系数增大,冷却效果变差;在带有不同孔型的叶片的中后缘位置都出现了明显的高冷却区域,带有扩张角度??10?孔型的叶片在该区域的冷却优势更明显;4种孔型在叶片吸力面上气膜覆盖的整体均匀度都要比压力面高。     

端弯控制扩压叶栅角区分离的机制分析

为了进一步揭示端弯叶片技术对角区分离流动的控制机制,应用商业软件Numeca对某地面重型燃气轮机压气机末级静叶进行了数值模拟,详细对比分析了采用端弯叶片技术与弯叶片技术后对原型叶栅壁面压力场以及出口总压损失分布的影响。研究结果表明,端弯叶片技术与弯叶片技术均能缓解端部角区分离流动。与弯叶片相比,相同弯角的端弯叶片具有相同的驱动附面层向叶展中部的迁移能力。端弯叶片通过合理地调整弯高与弯角沿流向的变化,有效地控制了端区附面层的发展,因此端弯叶片具有更好的控制角区分离以及降低静叶总压损失的能力。     

高压涡轮外环非定常气膜冷却特性研究

本文对叶片高速扫掠作用下高压涡轮外环的非定常气膜冷却过程进行了数值模拟,应用滑移网格实现涡轮叶片与外环壁面之间的相对运动,分析了叶片的旋转效应、吹风比、转速、气膜孔逆顺流布置等因素对高压涡轮外环气膜冷却特性的影响规律。结果表明:叶片与涡轮外环之间的相对运动使得气膜分布更加均匀,同时导致了吸力面附近气膜的葫芦状分布,有利于对外环壁面的冷却;逆向分布气膜孔在大吹风比与高转速下有更好的气膜冷却效果;吹风比的增加加强了叶顶泄露涡作用下的葫芦状气膜分布,而转速的增加减弱了叶顶泄露涡对冷气的压迫作用。     

具有阻尼拉金和叶顶间隙的汽轮机末级复杂三维流动特性

为获得具有阻尼拉金和叶项间隙的叶栅通道内复杂流动的详细状况,采用重整化群湍流模型(RNG k-ε)、壁面函数法、结构化网格,混合平面法建立了三维黏性流动数值模型,基于该模型分析了某汽轮机末级的流动状况.结果表明:阻尼拉金附近沿叶片展向动叶表面静压、通道内流线分布均发生了显著变化,其中吸力面受到的影响更为显著.在叶项和动叶吸力面上都发生了流动分离现象,表明该处存在分离涡和泄漏涡;同时,由于叶顶间隙的存在,动叶接近叶顶处压力面静压降低,甚至出现低于吸力面的情况,此外考虑阻尼拉金以及考虑阻尼拉金和叶顶间隙的汽轮机末级等熵效率与无阻尼拉金相比分别降低了0.39%和1.23%,表明泄漏损失在以上两种损失中占主要部分.     

离心风机叶片脊状结构减阻特性的三维数值分析

基于Realizable k-?紊流模型,采用Fluent软件对G4-73型离心风机单流道模型叶片翼型表面脊状结构的减阻特性进行了数值模拟研究,并分析了脊状结构对风机运行特性的影响。结果表明:适当尺寸的脊状结构布置能够使脊状表面单流道模型全压高于相同工况下的光滑表面模型,最大增幅7.98%,间接反映了叶片表面流动摩擦阻力的减少。脊状结构只对翼型表面的近壁面边界层分布有一定的影响,其沟谷内形成的稳定的二次流,可以有效减小沟谷内的表面剪切应力,证明了脊状结构具有的减阻效果。脊状表面湍流边界层近壁面的法向速度梯度和湍动能均明显低于光滑表面,验证了脊状结构对湍流耗散的抑制作用和具有的减阻效果。而脊状结构等距间隔的存在会增大部分区域的剪切应力,对减阻效果产生一定的不利影响。在偏离设计工况时,叶片压力面和吸力面分别产生的边界层分离现象也会影响脊状结构的减阻效果及其位置。文中所得研究结果可为工程实际中风机叶片的优化改型及性能改善提供参考依据。     

自适应襟翼流动分离控制数值研究

改善叶片流动分离是提高叶轮机械与飞行器运行效率与安全性的关键。通过在叶片吸力面布置类似鸟类羽毛的自适应襟翼,采用数值模拟的方法,结合SST k-ω湍流模型,模拟了自适应襟翼在一系列攻角和抬起角度下对翼型气动性能的影响,并从宏观气动力与微观流场的角度分析了襟翼改善流动分离的特性与机理。结果表明:襟翼通过影响分离区域大小及翼型表面压力以改变升阻力的大小,进而改善翼型流动分离特性;襟翼处于气动力矩平衡角度时,翼型最大升力系数提升3.9%,处于最佳角度时,翼型最大升力提升12.7%;襟翼在最佳角度时对应的气动力矩一定范围内随最佳角度增大而近似线性增大。实际应用中,这一特点可为采取外力矩约束襟翼运动以提升襟翼流动分离控制能力提供参考。     

微重力下航天器舱内混合对流传热高性能数值研究

基于CPUs/GPUs架构,采用混合热格子-Boltzmann方法,对微重力环境下三维航天器舱简化模型内的混合对流问题进行了详细的非稳态数值模拟。结果表明:具有恒热流边界的元器件位于进风掠过的模型壁面中心时,热壁面平均努塞尔数■最大,换热最强;保持雷诺数Re不变而缩小模型尺寸到1:5及以下时,模型在全重力情况下与原型在无重力时的热壁面■相同,流场和温度场瞬态变化过程几乎一致,可用来指导在地面进行微重力下的实验研究;多GPUs结合格子Boltzmann方法计算的超高效率,可实现航天器电力系统和设备舱内流动换热的实时预测。     

大型立式混流泵装置水动力特性数值模拟

应用k-ε和k-ω相结合的SST湍流模型封闭控制方程,对立轴蜗壳式混流泵装置的内部流动结构进行数值模拟。采用全隐式网格耦合求解,计算中考虑了叶轮叶顶间隙的影响。通过计算获得了泵装置全流场,分析了蜗壳出水室的流态和叶轮的水力特性,预测了泵装置性能并与试验值进行了比较。结果表明：蜗壳出水室内的流动为轴向流动与环向旋转的合成流动,静压分布较对称,出口断面轴向流速分布均匀度和速度加权平均角相对较低;叶片表面的静压分布呈现较为清晰的规律,叶片表面静压分布比较均匀,压力面的静压整体上比吸力面要高;随着流量的增大,叶轮承受的轴向力渐小,而径向力则先减小后增大;数值模拟预测的性能结果与试验的性能结果相比较,前者高于后者,趋势基本一致。