不同翼刀位置控制涡轮叶栅二次流的数值研究

为明确翼刀改善涡轮静叶栅二次流的机理,采用数值模拟的方法研究了端壁加装翼刀静叶栅的三维流场。与常规叶栅二次流特性相比,翼刀的存在降低了端壁附面层内的横向压力梯度,减弱了低能流体向叶栅吸力面/壁角区的堆积;同时通过产生的反向翼刀涡限制了马蹄涡的压力面分支的发展,从而达到减小通道涡的尺寸和强度的目的。通过距离压力面位置远近不同的3个翼刀方案的比较,发现距压力面愈近的翼刀方案控制二次流的效果较好。     

汽轮机高压级叶顶间隙流的特性分析

以某300Mw汽轮机高压级为研究对象,采用带剪切应力传输（shearstresstransmission,sst）的K-w sst湍流模型,应用SIMPLEC算法对不同叶顶间隙下的泄漏流动进行数值模拟,分析了泄漏涡的产生、发展及与通道涡的干涉情况,并研究了3种叶顶间隙下,动叶叶项处复杂的流动和涡系情况。结果表明,压力面附近的流体由于压力面和吸力面的压力差作用进入叶顶间隙,泄漏到吸力面处,与主流掺混形成泄漏涡。随着叶顶间隙的增加,泄漏涡强度变大,导致通道涡靠近叶片中部。同时,泄漏涡涡核离吸力面更远,使通道内的流动环境更恶劣,引起更大的级内损失。     

内流近壁区非定常等离子体的流动控制机理

为了揭示非定常等离子体激励在压气机内流近壁区的流动控制机理,建立了等离子体激励流动控制的计算模型,采用基于shear stress transport(SST)湍流模型的尺度自适应雷诺平均/大涡(RANS/LES)混合模拟方法进行非定常数值模拟,研究了非定常等离子体激励的耦合作用机理。结果表明:机匣近壁区转子吸力面流动分离导致叶顶泄漏涡破碎并触发转子内部流动失稳。非定常等离子体激励与机匣近壁区流场相互作用产生诱导涡,诱导涡与叶顶泄漏涡发生耦合作用,促使叶顶泄漏涡产生周期性的振荡,抑制叶顶泄漏涡向转子前缘移动,机匣近壁区流场抵抗逆压力梯度的能力增强,有效地抑制转子吸力面流动分离,与定常等离子体激励相比流动控制效果更好。     

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.     

汽轮机静叶斜度对蒸汽流场及能量转换的影响

针对超临界600 MW机组汽轮机高压缸第1级配置的斜置静叶,采用Fluent软件建立了汽轮机静叶不同斜置角度(斜度)的计算模型,模拟分析了静叶在0°,30°,45°和60°4种斜度下蒸汽的流场和能量转换特性。结果表明:随着静叶斜度的增大,压力面的压力损失减小,吸力面的附面层厚度减小,进而流动损失减小;静叶斜度的存在降低了能量的转换作用;随着静叶斜度的增大,静叶出口汽流速度和出口汽流角沿叶高的分布减小,出口的平均动能呈减小趋势,这可能有助于改善汽轮机的安全性能。该结论可为同类机组汽轮机的设计提供参考。     

可控涡设计高负荷涡轮二次流旋涡结构及损失分析

采用雷诺平均Navier-Stokes方程和Spalart-Allmaras湍流模型,对可控涡设计的1.5级高负荷亚音速试验涡轮进行三维黏性数值模拟,对叶栅内旋涡发展和损失机制进行全面研究和分析。数值研究表明,在高负荷涡轮动叶栅内,马蹄涡吸力面分支到达吸力面之后并没有消失,而是和压力面分支相交,并一起向下游发展,其位置始终处于压力面分支下侧,紧贴吸力面端部附近,并没有发生相互缠绕作用。受动叶栅通道内强横向压力梯度作用,端壁附面层从压力面侧直接被推向了吸力面侧,所形成的通道涡没有发生强烈的旋涡运动,位置始终限制在叶栅吸力面端壁附近的狭长区域内,呈片状涡结构。低能流体继续向吸力面角隅内运动和堆积,并向展向扩展,与主流发生强烈的掺混作用,损失急剧增加。因此,提高高负荷涡轮级效率的关键在于提高动叶性能。     

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。     

分段式气动弹片对翼型气动性能影响

为改善气动弹片在小攻角范围内破坏翼型上表面流体的附壁现象,强制发生流动分离,提出等间距分段式气动弹片。该文以NACA0018翼型为研究对象,通过数值模拟分析分段式气动弹片对翼型气动性能的影响。结果表明:等比例分段式气动弹片翼型吸力面压力显著降低,升阻比较原始翼型最大提高25.65%,且在一定范围内弹片所分段数越多,气动性能改善效果越明显;非均匀分段式气动弹片翼型与原始翼型相比升力系数基本不变,阻力系数略有下降,对尾缘脱落涡有抑制作用,但弹片抬起角度过大会在其下表面形成大涡区,进而对翼型气动性能产生负面效果。     

叶顶间隙对涡轮转子叶栅损失发展与分布的影响

应用五孔微型测针详细测量了由栅前至栅后１９个测量面及叶顶间隙中分面内的气动参数分布,并采用墨迹技术显示了端壁和叶片表面流谱,研究了损失沿流向的发展。实验结果表明,叶顶间隙不仅产生漏气损失,而且由于泄漏流与端壁横流之间的相互作用,引起上半翼展流动损失迅速增长。这一现象由叶片进口边发生,一直延续到叶栅的远下游。图９参７     

前缘污染对不同相对厚度翼型气动性能影响规律研究

为深入了解前缘污染对翼型气动性能的影响,基于Transition SST模型对NACA0012、NACA0015和NACA0018这3种不同厚度的翼型进行了数值模拟,得到了3种翼型的污染敏感位置,研究了前缘污染对不同厚度翼型气动性能及流动特征的影响。结果表明：相对厚度的改变不会影响翼型的污染敏感位置,NACA00XX翼型前缘附近的污染敏感位置分别位于吸力面和压力面上的1%c,9%c处,且吸力面污染对翼型气动性能的影响远大于压力面;相对厚度大的翼型,前缘污染对其气动性能的影响愈加突出,提前失速导致NACA0015和NACA0018翼型在12°攻角下的升阻比下降率超过92%;前缘污染会引起污染位置附近涡团的产生,随着相对厚度的增大,污染位置附近的能量耗散愈发严重;进一步增加攻角后,污染对翼型气动性能的影响有所减弱。     

叶顶间隙对多相混输泵多工况增压性能的影响

叶顶间隙的存在会导致混输泵内有叶顶泄漏涡产生,进而对泵的增压性能产生较大的影响。本文以叶顶间隙为基础,定量地研究了不同叶顶间隙、流量及进口含气率对混输泵增压性能的影响。研究发现：叶顶间隙对混输泵做功性能的影响主要位于叶轮域内,且叶顶间隙的增加对于混输泵的做功性能有一定抑制作用;当叶顶间隙较小时,流量对叶轮做功性能都有明显的影响,而随着叶顶间隙的增加,流量对叶片表面压力载荷分布影响相对较小;当叶顶间隙为0.5 mm和1.5 mm时,随着进口含气率的增加,叶片吸力面压力载荷逐渐减小,而压力面的压力载荷略有增加,而当叶顶间隙为1.0 mm时,叶片表面压力载荷受到进口含气率影响很小。研究结果为混输泵增压性能提升提供一定参考依据。     

多级轴流超临界二氧化碳透平气动设计及仿真分析

透平是超临界二氧化碳（S-CO₂）布雷顿循环系统的核心部件，目前主要面临效率低的问题。本文针对1台4级轴流S-CO₂透平进行气动设计，并对透平内部流动进行了三维数值模拟分析。结果表明，动叶叶顶间隙泄漏流是影响透平流动和性能的主要因素，泄漏流不仅会与叶片通道主流相互作用，还会影响下一级静叶流动，在入口产生较大攻角，引起静叶叶顶吸力面前缘和压力面喉口部的流动分离，并影响下游动叶叶顶端流动，导致泄漏流强度随级数累积增强，降低透平效率。根据流动仿真分析结果对透平进行了改进设计，使透平效率显著提高，达到84.44%。     

涡轮叶栅流场的PIV测量实例

详细介绍了PIV的工作原理、数据处理流程和使用要点。针对涡轮内部复杂的流动特性,应用具有较高空间分辨率的非接触式瞬态速度的PIV测量技术,获得了较清晰完整的沿叶高平面和叶栅出口速度场的瞬时速度场信息,并据此分析了涡轮静叶出口二次流的流动特性。叶栅实验中将模拟动叶的圆柱列每次沿周向方向移动1/4节距,测量沿叶高平面的速度场。研究发现,前排圆柱尾迹进入叶栅流道不同,对叶栅内部流场气动效率影响巨大;同时由压力面向吸力面运动的二次涡(低能流体,耗能过程)逐渐向后传递、扩张,并在吸力面卷起、堆积,使吸力面附面层骤然增厚,并引起沿叶高总压损失系数和沿叶高出口气流角的剧烈变化。     

肋板正方形通道传热与流动特性

根据质量、动量、能量守恒定律,采用SIMPLEC算法,对空气在内置肋板正方形通道的传热与流阻特性进行数值模拟,分析了不同攻角和开缝位置对通道传热综合性能的影响;通过对局部流场、温度场、热流密度、绝对涡量、阻力因子的分析揭示了空气在内置肋板正方形通道的传热强化与流动减阻机制。结果表明:攻角为30°时通道的传热综合性能最佳,在此基础上进行肋板的底部开缝可以进一步降低阻力和强化传热速率,提高传热综合性能;通道内加装肋板可以导流通道二次流,均化通道流场,加强近壁区流体与主流区流体的置换程度,从而提高通道的传热速率;绝对涡量可以表征单一二次流的强化,但不能完全表征开缝通道的传热强化现象;肋板攻角及开缝的流动减阻主要降低了通道的形体阻力。     

叶顶间隙对螺旋混流式喷水推进泵内流及推进特性的影响

喷水推进泵是舰船泵喷推进系统的核心部件，喷水推进泵在工作过程中，叶顶间隙处所产生的泄漏流会严重影响混流泵的工作性能。为了探讨叶轮叶顶间隙对喷水推进泵推进特性的影响，本文定义了叶顶间隙系数τ,设计了六种不同叶顶间隙系数模型并使用Ansys进行仿真分析，最终得到叶顶间隙对于喷水推进泵内流以及推进特性的影响规律。结果表明：随着叶顶间隙系数的增大，叶顶间隙处泄漏流逐渐增加，泄漏涡影响范围变大，轴向推力随着叶顶间隙系数的增大呈负指数下降，叶顶间隙处泄漏量随指数上升，喷水推进泵内流损失增加，推进效率持续减小，并且在大流量工况下叶顶间隙对喷水推进泵推进特性影响最大，在设计的六套模型中，叶顶间隙系数为0.08,叶顶间隙为0.16mm时效率最高。通过本文的研究可以发现，叶顶间隙对于喷水推进泵内流以及推进特性影响较大，在设计时应尽量减小叶顶间隙。     

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。     

矩形通道中斜截半椭圆柱面传热和流阻数值模拟

在雷诺数Re=7000～26800 范围内,对布置单排1对斜截半椭圆柱面的矩形通道内空气传热和流动特性进行三维数值模拟,用无量纲数R分析斜截半椭圆柱面斜截角α、攻角β、高度h、距入口间距S、前缘间距s、布置方式对其在通道内强化传热和流阻综合性能的影响.结果表明,在计算条件下,α=20°、β=15°、h=5 mm、S=100 mm、s=30 mm、渐扩式布置(前缘低后缘高、凹面相对)的斜截半椭圆柱面在通道内的强化传热和流阻综合性能最好.斜截半椭圆柱面在通道内产生的端部涡系对其强化通道内传热和流体流动结构的改变发挥了重要作用.     

叶顶间隙对某涡轮级流场及气动性能影响的数值研究EI北大核心CSCD

采用数值模拟方法,对某涡轴发动机高压涡轮的其中一级进行了三维流场计算,通过对比分析均匀和非均匀间隙条件下的流场和气动参数分布,探讨了不同间隙形式时的叶顶泄漏流动情况、以及流场变化对涡轮级气动性能的影响。结果表明:随着间隙高度的增加,叶顶泄漏高损失区与上通道涡高损失区相结合,新的大尺度分离结构形成引起损失增加,当间隙高度为1.2 mm时的总效率降幅达到5个百分点;前缘附近间隙增加对损失的不利影响要小于尾缘,降低尾缘附近的间隙高度至0.3 mm可以有效提高总效率约1个百分点;通过控制叶顶不同区域的间隙高度,可以对间隙内泄漏流体速度进行有效控制,减小间隙内堵塞从而提高总性能。     

高低齿汽封表面换热系数计算方法研究

为探索汽轮机关键部件换热系数的计算方法,以某高压转子轴端高低齿汽封为例,对比分析了表面换热系数的4种常用经验公式,同时采用数值模拟方法研究了不同结构参数汽封的表面换热系数并得到拟合公式。结果表明:美国西屋公司、南京工学院-哈尔滨汽轮机厂和苏联采用的经验公式在结构上具有相似性,均与汽封间隙、汽封室高度、齿数、蒸汽导热系数和雷诺数相关。根据数值模拟结果得到的汽封表面换热系数与近壁面雷诺数和普朗特数正相关;换热系数呈周期性变化,在齿间隙出口处达到极值,且短齿出口处表面换热系数较大;当汽封间隙减小、汽封室高度或齿数增加时,换热系数减小;根据数值模拟结果得到的换热系数拟合公式,具有较好的适应性。拟合公式可用于叶顶汽封、隔板汽封、轴封等高低齿汽封表面换热系数的计算,同时该方法提供了一种计算大容量高参数汽轮机关键部件换热系数的思路,可为其设计和安全性校核提供依据。     

不同实度扰流柱阵列的流动与换热特性研究

采用剪切压力传输SST k-?湍流模型对3种不同实度扰流柱阵列的换热效果与流动特性进行数值模拟。根据冷却流体的流场结构,分析扰流柱实度对冷却通道内传热性能及压力损失系数的影响规律。结果表明:随着扰流柱阵列实度等级的增加,冷却气体动能降低,其流向速度呈周期性分布,通道内端壁面积缩小,但低温区域所占面积比重明显增大;扰流柱阵列的平均换热水平随进口雷诺数的增大呈指数上升趋势,高实度的扰流柱换热效果更佳,且在流场上下游分别出现换热峰值;冷却通道的整体压力损失系数随进口雷诺数的增大呈指数下降分布,高实度通道下降速率最大,其整体压力损失系数在高雷诺数阶段达到最低,在流向上沿程压力损失系数呈先降后升趋势。