圆孔型预旋喷嘴转静盘腔内流动换热特性数值研究

运用RANS(数值求解三维)方程和SST(紊流模型)的方法研究了圆孔形预旋喷嘴转静盘腔内流动换热特性。通过数值计算获得的实验测量预旋盘腔内的阻力系数和努赛尔数与实验数据吻合良好,验证了数值方法的有效性。分析了3种不同进气预旋比和湍流系数对圆孔型预旋喷嘴转静盘腔内的流动换热特性的影响。研究结果表明:旋流比、阻力系数和转盘表面换热随着湍流系数的增大而增大。阻力系数由于受旋转泵效应的影响沿径向逐渐增大,受进气影响在进出口附近周向不均匀较为明显。进气预旋比较小时转盘对气流做功提高气流总温,当进气预旋比达到1.5左右时,转盘无需推动气流转动,气流总温相对较低。进气流冲击导致进气位置转盘表面Nu周向分布不均匀,并导致形成转盘表面强换热区。     

涡轮盘腔内部流动和换热机理研究

首先分析了旋转雷诺数Reφ、预旋比βp以及湍流参数!T对带有预旋的转静系盘腔内流动及换热特性的影响,重点考察了Reφ、βp和!T对轮盘中心处预旋比β∞、阻力系数ξ的影响,并详细分析了盘腔内部流动结构,发现惯性力和离心力占不同主导地位是诱发不同的流动结构的主要原因;另外得到了旋转壁面局部Nusselt数沿径向的分布规律及影响因素;最后研究了无量纲质量流量cw对无量纲温度θ的影响,发现θ与cw基本满足对数关系。     

转静盘腔中蒸汽/空气瞬态响应特性对比

为对比蒸汽和空气在转静盘腔中的瞬态响应特性,建立了转静盘腔数值计算模型,基于用户自定义函数编程编写了非稳态边界条件,通过CFD非稳态数值模拟方法研究了进口压力以阶跃函数和斜坡函数变化时蒸汽和空气流动的瞬态响应特性。研究表明:蒸汽的瞬态响应特性明显优于空气;同一无量纲跃升幅值下,两种介质瞬态响应过程的总体趋势基本相同;当无量纲跃升幅值由1. 05增至1. 25时,蒸汽总温的超调量比空气平均低45. 9%;斜坡时间由0. 025 s增至0. 16 s时,蒸汽总温的超调量比空气平均低39. 4%;对于同一流动参数,蒸汽的响应时间要明显少于空气。     

船用燃气轮机低压盘腔系统流动特性研究

为了充分理解与掌握实际工程中盘腔多腔室流动特性,以实际船用燃气轮机低压盘腔系统为研究对象,基于ANSYS CFX软件,采用SST k-ω湍流模型开展数值模拟,对比分析了船用燃气轮机低压盘腔系统在不同工况下的流动特性。研究表明：在各支路流量分配中,随着雷诺数增加,接受孔流量先波动后持续增大,平衡孔流量逐渐减小;在气体预旋比分布中,对于腔体C3,C4,C5,随着雷诺数增加,气体预旋比逐渐减小;对于涡系结构,C4和C5盘腔涡系结构基本保持稳定;预旋喷嘴出口和接受孔进口之间的总压差随着雷诺数增加呈现指数增长趋势,总温差随着雷诺数增加先增大后减小。     

中心进气旋转盘的冷却效果实验研究

对涡轮发动机热部件冷却的主要指标目的是使热部件的总体温度尽可能低和热部件内部的温差尽可能小,因此对涡轮发动机涡轮盘的冷却除研究转盘表面的对流换热系数外,还应对以上两个指标进行研究。本文将发动机的涡轮盘简化成中心进气施转盘模型,用实验的方法研究了旋转雷诺数、进气雷诺数、盘罩间隙比和出气间隙比对转盘无量钢过余体平均温度和无量纲径向温差的影响,并给出了相应的准则关系式。     

不同盘面粗糙度对低转速多支路预旋盘腔流动特性影响的研究

在转静盘腔实际工作中,盘面的粗糙度对气体预旋比、流量系数、压力系数、转矩系数和轴向力系数的影响很大。为了得到低转速预旋盘腔中不同盘面粗糙产生的影响,本文采用ANSYS CFX 19.2进行数值模拟并通过实验验证其准确性。在几何模型固定情况下通过改变出流支路数、转盘转速(1 000~3 000 r/min)和粗糙度程度(0~50 μm),研究转盘、静盘和转静盘粗糙工况下的盘腔主要无量纲准则数。结果表明：多支路出流会一定程度提高预旋盘腔内的流动效果,并且转盘和静盘粗糙产生的边界层不同会导致对相关系数的影响不一样。当转静盘均粗糙时,在对气体预旋比和转矩系数的影响中,转盘粗糙占主导作用;而对压力系数和轴向力系数的影响中,静盘粗糙占主导作用。     

叶片蒸汽冷却耦合换热特性的数值研究

为评估透平叶片的蒸汽冷却效果,以Mark II叶片为对象,采用热流固耦合的数值计算方法,通过与实验数据进行比较考察了不同湍流模型对计算结果的影响,对比分析了空气、过热蒸汽和湿蒸汽冷却效果的差异,研究了冷却蒸汽质量流量、进口湍动度和叶片表面粗糙度对蒸汽冷却效率的影响.结果表明:SST转捩湍流模型对于流动换热计算有较高的精度;与空气冷却相比,过热蒸汽冷却的效率更高,叶片壁面温度更低;与过热蒸汽冷却相比,湿蒸汽的冷却效率更高,叶片壁面温度更低,且随着蒸汽湿度的增加,冷却效率提高,叶片壁面温度降低;增加冷却蒸汽的质量流量可使冷却效率提高,但冷却蒸汽的温升减小;当湍流强度小于3%时,冷却效率随冷却蒸汽进口湍流强度的增大而提高;增加叶片粗糙度使得叶片冷却效率显著提高.     

燃气轮机轮盘预旋冲击冷却特性研究

为提高冷却空气对涡轮轮盘的冷却效果,以某型燃气轮机低压涡轮为研究对象,提出了一种带有预旋冲击的轮盘冷却结构。当冷却空气流过该结构时,冷却空气的流动方向发生改变,提高了轮盘的换热效果,降低轮盘温度进而提高了轮盘强度储备。使用CFX有限元计算软件,对该冷却结构和轮盘进行了气-热-固耦合计算,结果表明:带有预旋冲击的冷却结构比非预旋冲击的冷却结构具有更高效的冷却效率;轮盘在预旋冲击冷却作用下,轮盘换热表面温度降低显著;当冷却空气进口温度降低60 K时,轮盘换热表面温度降低37 K;冷却空气进口压力增加0.39 MPa时,轮盘换热表面温度降低10 K。     

水汽比对涡轮预旋供气系统温降影响的数值分析

为了揭示喷水冷却所引起湿空气环境对涡轮供气系统温度的影响,基于欧拉-拉格朗日多相流颗粒追踪方法,在预旋供气系统进口总压150 kPa和总温450 K条件下,开展湿空气对预旋供气系统温降的影响程度评估,分析预旋供气系统内旋转比和预旋喷嘴流量系数的变化规律,揭示预旋供气系统温降的影响规律。结果表明：在水汽比由0增加到0.3时,水汽比变化对预旋喷嘴内流动和温度变化影响显著,预旋喷嘴的气流旋转比由1.36增加到1.43,而其压比由1.523降低到1.482、流量系数由0.97降低到0.90,从而使预旋喷嘴温降由25.79 K减小到22.28 K;预旋供气系统温降由12.07 K降低到11.03 K。含湿条件会增加系统内流动阻力,限制了预旋供气系统降温能力,在涡轮叶片供气温度需求不变时,含湿条件将需要更高的供气压力。     

截面形状对旋转扰流柱通道流动换热特性的影响

为合理设计航空发动机涡轮动叶尾缘冷却结构,采用ANSYS FLUENT软件模拟了四种扰流柱截面形状在旋转状态下的流动换热特性。对比分析了不同旋转数(Ro)和不同扰流柱截面形状时通道内部的三维流场分布、湍流动能分布、努塞尔数(Nu)分布以及阻力系数。其中扰流柱的截面形状包含圆形、菱形、矩形和椭圆形,Ro数包含0、0.2、0.4和0.6四种数值。模拟过程中通道入口雷诺数为7 000,壁面恒定热流为1 000 W/m²。结果表明,截面形状和旋转数对流动和换热状态有着显著影响,矩形扰流柱通道的换热系数和阻力系数最高;随着旋转数的增加,迎风面和背风面的换热系数差异逐渐增大;在旋转作用下,扰流柱尾缘区域出现了纵向二次流,该二次流显著破坏了壁面附近的边界层,有利于背风面换热增强。