边界元法在气冷涡轮叶栅气热耦合计算中的应用

将边界元计算方法应用到三维N-S方程求解程序中,流体部分采用有限差分法求解N-S方程,边界元法求解固体区域热传导方程。开发气热耦合计算程序对NASA-MarkII高压气冷涡轮叶栅热环境进行气热耦合分析。利用边界元法特有的优势(降维、解析与离散相结合的特点),避免了固体区域的网格生成和内部节点求解工作,提高了计算精度。结果表明,耦合计算程序能够高效、准确求解多场的气热耦合问题,计算结果与实验结果吻合的较好,二者平均误差为3%。     

气冷涡轮级气热耦合非定常数值模拟

采用三维非定常气热耦合模拟的数值方法,对具有冷却结构的单级涡轮进行非定常流动和冷却性能进行研究,通过对非定常流场和固体温度场的分析来探讨冷气对叶片排内流场和固体温度场的影响,指出在非定常状态下,不同的动、静叶相对位置对应不同的气膜出流情况。上游周期性不稳定尾流会造成下游动叶片主流掺入气膜保护层,会造成气膜冷却效率降低。尾迹对叶片前缘的撞击引起瞬间的冲角增大,叶片气动负荷以及温度分布存在一定程度的波动,吸力面前缘受到的干扰更为明显。     

带有热障涂层的涡轮叶片前缘气热耦合数值研究

采用气热耦合的数值计算方法以及考虑转捩的湍流模型,对采用热障涂层技术的某型气冷涡轮叶片前缘传热进行了数值研究.结果表明,由于热障涂层的高绝热性,热障涂层一方面大幅提高叶片的抗氧化和抗热腐蚀的能力,另一方面配合高效的冷却技术,可以降低金属叶片的工作温度和叶片内的温度梯度.     

结构化网格在气热耦合计算中的应用

采用商用网格生成器生成结构化气热耦合计算网格,应用多块网格技术提高网格质量并对流动边界层和热边界层等流场参数变化较大的区域进行加密,同时采用高精度的数值传递方式在网格块间进行数值传递,从而保证高精度差分格式在网格块间不被破坏,提高耦合计算效率.最后通过MarkII叶片气热耦合的计算,并将耦合计算结果与实验值进行比较,中径处压力沿叶型分布两者相差在1%范围内,而中径处温度沿叶型分布在大部分地方两者相差在4%范围内.     

单级冲动式汽轮机叶片气热耦合数值计算

本文针对水下特种动力用单级冲动式涡轮机叶片的温度场预测,采用气热耦合方法进行数值计算,并与非耦合方法计算进行了对比分析。结果表明,两种计算方法获得的主流场比较接近,而叶片表面的温度场有较大的区别;耦合计算表明沿轴向方向,从动叶进口到动叶出口,叶片内部温度温差逐渐缩小,在叶片入口处,从叶根到叶顶叶片的温度呈先降低后升高的趋势,在动叶出口处,叶片表面温度值趋于均匀,叶片温度梯度载荷不大。     

燃气涡轮无气膜动叶的内流流场和气热耦合计算

为了详细设计涡轮动叶冷却结构,采用内流三维流场计算对内部的流动细节进行设计,并将全三维气热耦合计算作为冷却结构最终方案的详细设计。计算结果表明,当调整第三腔隔板倾斜时,可以有效地控制第三腔流动,降低第三腔位置的高温;由于第二腔根部冷气流动雷诺数较低,导致第二腔温度较高。通过将肋形式由60°平行肋改为60V型肋能够将最大温度降低10K。三维云图以及流线图可以看出,高温区随着结构的改变而改变。     

转子热应力计算的热固单向和双向耦合模型差异研究

为了较准确计算汽轮机转子的热应力,比较了热固单、双向耦合模型在热传导方程和求解方式上的差异。基于热固单、双向耦合模型,计算了某亚临界高中压转子在冷、热态两种启动工况下的瞬态温度场和热应力场,研究了冷、热态启动工况以及不同热冲击程度下两种模型计算结果的差异。结果表明:转子与主蒸汽温差在冷态启动下低于240℃,在热态启动下低于130℃时,单、双向计算模型结果相差均在2%左右,随着冲转初期转子所受热冲击程度增加,两模型计算结果偏差逐渐加大,最大可达20%;冷态启动下,转子表面温度低于主蒸汽温度,单向模型计算的最大热应力大于双向耦合模型计算结果;而热态启动时,转子表面温度高于主蒸汽温度,单向模型计算的最大热应力小于双向模型计算的结果,因此对于热态启动,单向模型计算的热应力是偏小的。该研究可为汽轮机转子热应力计算模型的选取提供参考。     

涡轮叶片尾缘扰流柱对换热效果的影响

对一个有交叉排列圆形扰流柱的涡轮叶片尾缘冷却方案进行了数值研究.应用CFX计算程序对冷却方案进行了气热耦合计算,并对温度场、流场及换热系数的变化进行了详细的分析.结果表明,扰流柱对增强换热效果明显.     

进口温度不均匀对涡轮叶片热应力的影响

针对航空涡轮叶片的温度场预测问题,采用CFD(computational fluid dynamics)软件和有限元计算理论与方法,以对流冷却叶片的温度场与热应力求解为例,分别计算了涡轮进口温度均匀和不均匀时叶片的温度场和热应力,分析了涡轮进口温度不均匀对叶片热应力的影响,其中叶片温度场的求解采用气热耦合的方法即直接应用CFD软件计算叶片温度场,再依据温度场进行了有限元热应力分析.结果表明,进口温度不均匀时比进口温度均匀时叶片的热应力增大10%左右.     

基于热固双向耦合模型的二次再热超超临界汽轮机超高压转子热应力研究

为准确预估二次再热汽轮机转子在启动、停机过程中的热应力,推导了轴对称结构热固双向耦合计算模型。采用热固单、双向耦合模型和有限元法,计算了二次再热超超临界660 MW汽轮机超高压转子在冷态启动过程中的瞬态温度场和热应力场,对启动曲线进行了优化。研究表明,在冷态启动时双向耦合模型最大热应力值比单向模型计算值小4%,热冲击越大,两者计算值相差也越大,热固双向耦合模型比单向模型计算精度高,但计算时间长。采用优化后的启动曲线,转子最大热应力比原最大值降低了27%,实际机组运行也表明采用优化启动曲线,机组运转良好。     

高压涡轮进口边界条件设置对高压涡轮气热性能分析的影响

为研究上游压气机和燃烧室对高压涡轮性能的影响,本文采用RANS方法对燃气轮机核心机进行整机联合仿真,对带气膜冷却的高压涡轮气动性能及温度分布进行了分析,并与单一部件计算结果进行了对比。计算结果表明：涡轮部件计算参数分布均匀,核心机计算展示了非均匀的参数特征,且特征主要体现在温度上,随主流往后的发展变化也更加明显;在流动状况下相似的情况下,IGV的温度分布主要由入口温度边界条件决定。改变涡轮和冷气的物性,流动状况几乎不改变,对于马赫数影响在2%以内,温度差别集中于前缘及通道内近压力侧区域,差别可以达到6%以上,分布趋势不变。     

某柴油机缸盖热负荷的流固耦合计算分析研究

分别建立了柴油机缸盖和冷却水道模型,在Workbench的环境下,运用CFD与FEA耦合计算的方法,对额定工况下的缸盖温度场进行计算分析。计算结果表明:缸盖的最高温度为602K;耦合计算的方法更符合柴油机的实际传热情况;在柴油机额定工况下,冷却水的冷却情况以及缸盖的最高温度符合要求。经硬度塞测试数据对比可知:仿真结果真实可信,可以为柴油机热负荷分析和柴油机改进设计提供理论指导和依据。     

考虑复杂河工建筑物的漫堤洪水一、二维水动力耦合模型

针对景观坝和过水路面等河工建筑物严重影响河道排洪泄洪问题,基于MIKE FLOOD平台构建漫堤洪水一、二维水动力耦合模型,模拟分析复杂河工建筑物壅水与漫溢洪水淹没演进过程。采用Abbott六点隐式格式和显式有限体积法分别离散求解一、二维水流运动方程,利用干湿水深理论优化模型运算效率,将河道内过水路面与景观坝作为宽顶堰概化处理,同步计算桥涵淹没出流。将模型应用于宁夏茹河(店洼水库至小河河口)河道跨河工程阻水效果及漫堤洪水的数值模拟。结果表明,模拟结果较真实地反映了河工建筑物对水流的阻碍效应及桥涵动态过流效果。研究成果可为宁夏茹河及其他类似河道的整治工程规划设计及风险评价提供参考。     

围护结构热质耦合传递对室内环境的影响

对新建建筑的综合热质耦合传递进行了模拟,建立了围护结构和室内空气的综合热质耦合传递方程。分析了围护结构的热质耦合传递在不同的通风率条件下对室内相对湿度和呼吸舒适度不满意率的影响。模拟结果表明:新建建筑室内通风率为零时,围护结构的热质耦合传递对室内湿环境的影响较大,会明显降低呼吸舒适度;通风率越高,对室内相对湿度的影响越低,呼吸舒适度越高。从全年的对比中可明显看出冬季的室内空气呼吸舒适度明显高于夏季,人们更易接受低温低相对湿度(低焓)环境。     

基于伪二维电化学-热耦合模型的锂电池热特性研究

锂电池放电过程中的产热受电池内部电化学反应和欧姆效应影响,电池产热由电池化学与动力学决定,而电池动力学依赖于电池运行条件和设计参数。锂电池的六个温度依赖性参数对锂电池的放电过程中的产热速率具有影响,包括固相活性颗粒和电解液中的锂离子扩散系数、反应速率常数、电极开路电压、电解液离子电导率、热力学因子和阳离子迁移数。基于LiFePO_4圆柱形电池建立了伪二维电化学-热耦合模型,研究电池在恒流放电过程中的产热速率,以及正极、隔膜和负极各部分的产热速率和所占比例。结果表明,总产热功率随反应热的波动而变化,其中正极电极层中反应热占比最大,负极电极层中极化产热所占比例高于正极,而隔膜中的产热主要来源自欧姆热。不同对流传热系数条件下,电池的表面温度和内部温度差都不同,因此要合理的采取电池热管理措施。     

回热器参数耦合对热声发动机声功增益率的影响

基于线性热声理论,研究热声发动机回热器的几何参数和声场参数的耦合对其声功增益率的影响.较小的相对水力半径(几何参数)耦合负的近行波阻抗相角(接近0°相角)及较高的无量纲阻抗幅值(声场参数),可以有效提高回热器的声功增益率.在此基础上分别研究了驻波型、行波型和混合型热声发动机回热器的几何参数和声场参数的耦合特性,计算分析...     

涡轮动叶肋条布局的凹槽状叶顶气膜冷却效率和气热性能研究

针对涡轮动叶凹槽状叶顶近压力侧气膜冷却设计的结构,设计了2条全肋条、1条全肋条和1条压力侧尾缘半肋条与1条吸力侧尾缘半肋条的3种凹槽状叶顶肋条布局设计。采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)方程和标准k-ω湍流模型研究了肋条布局的凹槽状叶顶气膜冷却效率和气热性能,研究了4种吹风比下2条全肋条布局的凹槽状叶顶的传热冷却性能。在吹风比为1.0时,对比分析了典型凹槽状叶顶和3种肋条布局凹槽状叶顶的气动传热特性和气膜冷却效率。结果表明：数值预测的叶顶传热系数分布与实验测量结果吻合良好,验证了数值方法的可靠性;吹风比1.0时,全肋条凹槽状叶顶具有最高的平均气膜冷却效率;全肋条布局凹槽状叶顶具有最高的平均气膜冷却效率;相比于典型凹槽状叶顶,全肋条布局凹槽状叶顶能够使气膜冷却效率提高2.2%;压力侧半肋条布局的凹槽状叶顶具有最低的平均传热系数和总压损失系数;肋条布局通过调控叶顶涡系与冷气的迁移路径而显著改变了凹槽状叶顶的流场结构,进而影响气热性能和气膜冷却效率;全肋条布局的动叶凹槽状叶顶具有最佳的综合气热性能和气膜冷却效率。     

新建建筑围护结构的热质耦合传递对建筑负荷的影响Ⅰ：冬季热负荷

对于节能建筑,围护结构保温性能优劣是影响其能耗的重要标准.以哈尔滨地区为例,通过对新建建筑围护结构热质耦合传递的模拟结果,对比分析了严寒地区典型新建建筑不同设置的多层围护结构在最初四年内热质耦合传递对围护结构墙体热负荷的影响.分析结果表明:围护结构保温层内表面安装隔汽层能有效缓解保温层受潮,对降低能耗较为有利,围护结构外表面粘贴釉面砖时对能耗影响最大,但若降低保温层初始含湿量会降低其影响.     

高压加热器切除对机组热经济性影响计算模型的研究及其应用

高压加热器(高加)切除对机组热经济性有很大影响。以汽轮机功率方程和锅炉吸热量方程为基础,并将机组的整个回热系统视为一闭口热力系统,通过对其的热平衡分析,得到了高加切除对机组热经济性影响的计算模型。计算实例表明:该模型具有计算准确、适用性强的特点。     

火焰参数对辐射图像法不同测温模型的影响

对火焰温度分布的实时测量能够了解燃烧过程、验证燃烧机理、预防工业事故、优化燃烧设备。图像法测温在工业现场的火焰三维温度测量上有明显的优势,但通常均考虑火焰为均匀折射率介质,给测温结果带来了不可避免的误差。本文建立了梯度折射率介质下火焰的辐射成像模型和图像法测温模型,验证了方法的正确性,分析了火焰尺寸对成像的影响及炭黑颗粒浓度对温度场重建的影响。得出随着火焰尺寸的增大,图像强度随火焰尺寸出现先增大后减小的趋势,梯度介质模型与均匀介质模型的差异逐渐增大,随着炭黑颗粒浓度的增加,两种模型的重建精度逐渐下降。