动静干涉对下游动叶气动性能影响的数值研究
发布时间：2021-04-07 16:36
随着人们对燃气轮机性能需求的不断提升,对涡轮气动性能优化设计也有着更高的期望。涡轮做功过程中,由于动叶的高速旋转决定了其本身的运动性质必定是高度非定常的,动静干涉便是这一非定常运动下普遍存在的现象。燃气轮机涡轮工作环境的温度极高,所以第一级动静叶必须采用冷却手段来保护叶片,当使用气膜冷却手段时,其冷却流体势必会对主流造成影响,增大动静干涉下流场的复杂程度。所以本文使用数值模拟的计算方法,研究动静干涉下静叶有无气膜冷却结构对尾迹及下游动叶气动性能的影响,为涡轮的优化设计提供参考。首先对无气膜冷却的某型涡轮第一级转静子进行研究,使用商用软件Fluent结合k-ω湍流模型进行数值模拟计算,根据计算结果,对静叶尾迹在动静转子交界面处的输运过程和动叶流场随时间的变化进行了分析。分析发现:在动静干涉之后,动叶通道内的总压损失在吸力面更为严重并在尾迹到达时增加,尾迹脱落后减少。动叶叶顶二次流造成的气动损失大于泄漏流,并且受到尾迹脱落频率的影响。其次,以静叶具有气膜冷却结构的燃气轮机涡轮为对象,使用商用软件CFX结合k-ω湍流模型进行数值模拟计算,根据计算结果研究动静干涉下具有气膜冷却结构的静叶尾迹在...
【文章来源】：东北电力大学吉林省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－丨ＳＩＭＰＬＥ算法蕋本思路流程图??（２）?ＣＦＸ??ＣＦＸ同为ＡＮＡＳＹＳ旗下的一款数值模拟软件，它具有针对轴流旋转机械的??
东北电力大学工程硕士学位论文??网格无关性验证使用的网格数量分别为１６０万、１８０万、２１０万和２９０万四种，验证??网格数蛰对ｉ十算结果的影响并选取最适合计算的Ｎ格数量，从计算结果中提収总压损失系??数作为验证参数。??总压损失系数定义为：??厂?—Ｐ?ｉｎｌｅｔ?Ｐｉｎｅａｌ??Ｐ＝?＾／２?（３－１）??式中：为通道进口总压；??Ｐ／ｇ／为当地总压。??Ｖ％为通道轴向理想速度最大值。??由图３－２可以看出，网格数为１６０万时，计算结果偏离较大，网格为１８０万、２１０??万和２９０万时计算结果中的总压损失系数相差小于３．７％，表明网格数量在１８０万后具有无??关性。??１．０?－??０．９?－??０．８?－??＂??????霸??０．７?－??０．６?－??０．５?－??０．４?－??（）３??Ｉ?，?｜?，?｜?，?｜?，?｜?，?｜?，?｜?，???１６０?１Ｘ０?２００?２２０?２４０?２６０?２８０?３００??网格数??图３－２网格无关性验证??３．１．２数值计算方法??本章数值计穿使用的求解器为商用软件Ｆｌｕｅｎｔ，湍流模稻采用ＳＳＴ模型。采用有??限体积法的离散方法，在流项差分格式上采用二阶迎风格式，流体压力－速度耦合基于??ＳＩＭＰＬＥ算法。由于计算硬件的限制，所以只选定？组动静叶进行计算。通道吸力面与压??力面两侧设置为周期性边界条件，使用Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ对动静交界面进行处理，其它壁面均采用??无滑移边界条件。瞬时计算的时间步长为０．００５２７ｓ，＇个迭代周期用时为０．０１２７ｓ。??３．１．３边界条件??依据计算需求，设置静叶入
体的气动性能产生波动。在５／６Ｔ时影响达到最大，图中可以看到在动叶前??缘吸力面侧有着明显的涡系卷吸，出现了不同大小的分离涡，导致下游动叶的不稳定性增??强。??ｊ＼?ｆ?Ｖｉ?哉?ｊ??／．?！?：Ｊ?Ｕ?Ｉｔ．?！?ｔ?；?＇Ａ??１／６Ｔ?２／６Ｔ?３／６Ｔ??顺＿?１們??：?Ｉ．、?ｉ?Ｉ?Ｋ?Ｉ，?：ｉ?！?；?；?Ｉ?－ｉ?Ｉ，．＇?！ｉｘ?：?１?＾?■?＊?Ｉ－?Ｉ?＼??ＩＬＬ??４／６Ｔ?５／６Ｔ?６／６Ｔ??图３－４动静交界而涡量分布??图３－５显示了叶栅不问截面流体静压的ＦＦＴ频谱分布图，横．坐标为频率，纵坐标为功??率频谱密度。阁３－５（ａ）为０．?１２Ｃｘ处Ｍ迹脱落频谱密度图，由图可知尾迹脱落频率为７５Ｈｚ??时功率频谱密度最火，静叶尾迹出现明显分离现象，之后又出现１２５Ｈｚ和２２５Ｈｚ的脱落频??率，三荇之间存在倍频关系，虽然各个界面的频谱密度不同似是这样的倍频关系普遍存在。??由图可以看出，功率频谱密度会随着尾缘方向逐渐增大，并且在接近尾缘处时达到最大，??这说明静叶尾迹在经过周期性的增强和衰减之后，对尾缘附近的气动性能影响较大，这是??因为上游静叶尾迹在通过尾缘时加速了尾缘的流体移动，增加了二次流的湍动能，而且重??新构造部分主流的流动结构，并且由Ｐ尾缘附近流动结构复杂，通道内的涡量分布不规则，??所以越接近尾缘流体携带的能量越大，从而导致尾缘处的气动性能不稳定。由图３－５（ｄ），??３－５（ｅ）来看，最大频谱密度Ｍ现倍数增Ｋ：，说明此刻流体携带的能量出现急剧升高，静压脉??动明显，叶栅通道不稳定性升高。图３－５（ｆ）中在第一个尾迹脱落
【参考文献】：
期刊论文
[1]上游尾迹对高负荷低压涡轮非定常气动性能的影响[J]. 屈骁,张燕峰,卢新根,朱俊强. 工程热物理学报. 2019(09)
[2]高负荷透平叶片流动机理及湍流特性研究[J]. 卞修涛,林敦,苏欣荣,袁新. 工程热物理学报. 2019(08)
[3]非设计状态下尾迹输运对高负荷低压涡轮附面层的影响[J]. 瞿红春,谭天荣,郭君德,陈天铭,吴兴爽,孙爽. 推进技术. 2019(09)
[4]高压透平导叶尾迹涡的发展与机理分析[J]. 林敦,苏欣荣,袁新. 工程热物理学报. 2018(02)
[5]基于DDES的跨声速导叶中激波与边界层干涉机理研究[J]. 卞修涛,林敦,苏欣荣,袁新. 推进技术. 2017(10)
[6]跨音透平中激波与边界层、尾迹干涉机理研究[J]. 卞修涛,林敦,苏欣荣,袁新. 工程热物理学报. 2017(05)
[7]尾迹对涡轮叶栅边界层转捩的影响[J]. 李虹杨,郑赟. 推进技术. 2017(03)
[8]高压透平导叶的DDES模拟[J]. 林敦,苏欣荣,袁新. 工程热物理学报. 2016(10)
[9]动静干涉对涡轮转子叶片气膜冷却的影响[J]. 李虹杨,郑赟. 北京航空航天大学学报. 2016(01)
[10]非定常尾迹宽度对动叶传热影响的数值研究[J]. 张玲,汪山入,祝健,徐健翔. 中国电机工程学报. 2014(35)
博士论文
[1]高负荷涡轮端区非定常流动机理及损失控制研究[D]. 魏佐君.西北工业大学 2016
[2]非定常尾迹对气膜冷却影响的研究[D]. 蒋雪辉.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2004
硕士论文
[1]上游尾迹对气膜冷却影响的研究[D]. 印洲.南京航空航天大学 2016
本文编号：3123810
【文章来源】：东北电力大学吉林省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图２－丨ＳＩＭＰＬＥ算法蕋本思路流程图??（２）?ＣＦＸ??ＣＦＸ同为ＡＮＡＳＹＳ旗下的一款数值模拟软件，它具有针对轴流旋转机械的??
东北电力大学工程硕士学位论文??网格无关性验证使用的网格数量分别为１６０万、１８０万、２１０万和２９０万四种，验证??网格数蛰对ｉ十算结果的影响并选取最适合计算的Ｎ格数量，从计算结果中提収总压损失系??数作为验证参数。??总压损失系数定义为：??厂?—Ｐ?ｉｎｌｅｔ?Ｐｉｎｅａｌ??Ｐ＝?＾／２?（３－１）??式中：为通道进口总压；??Ｐ／ｇ／为当地总压。??Ｖ％为通道轴向理想速度最大值。??由图３－２可以看出，网格数为１６０万时，计算结果偏离较大，网格为１８０万、２１０??万和２９０万时计算结果中的总压损失系数相差小于３．７％，表明网格数量在１８０万后具有无??关性。??１．０?－??０．９?－??０．８?－??＂??????霸??０．７?－??０．６?－??０．５?－??０．４?－??（）３??Ｉ?，?｜?，?｜?，?｜?，?｜?，?｜?，?｜?，???１６０?１Ｘ０?２００?２２０?２４０?２６０?２８０?３００??网格数??图３－２网格无关性验证??３．１．２数值计算方法??本章数值计穿使用的求解器为商用软件Ｆｌｕｅｎｔ，湍流模稻采用ＳＳＴ模型。采用有??限体积法的离散方法，在流项差分格式上采用二阶迎风格式，流体压力－速度耦合基于??ＳＩＭＰＬＥ算法。由于计算硬件的限制，所以只选定？组动静叶进行计算。通道吸力面与压??力面两侧设置为周期性边界条件，使用Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ对动静交界面进行处理，其它壁面均采用??无滑移边界条件。瞬时计算的时间步长为０．００５２７ｓ，＇个迭代周期用时为０．０１２７ｓ。??３．１．３边界条件??依据计算需求，设置静叶入
体的气动性能产生波动。在５／６Ｔ时影响达到最大，图中可以看到在动叶前??缘吸力面侧有着明显的涡系卷吸，出现了不同大小的分离涡，导致下游动叶的不稳定性增??强。??ｊ＼?ｆ?Ｖｉ?哉?ｊ??／．?！?：Ｊ?Ｕ?Ｉｔ．?！?ｔ?；?＇Ａ??１／６Ｔ?２／６Ｔ?３／６Ｔ??顺＿?１們??：?Ｉ．、?ｉ?Ｉ?Ｋ?Ｉ，?：ｉ?！?；?；?Ｉ?－ｉ?Ｉ，．＇?！ｉｘ?：?１?＾?■?＊?Ｉ－?Ｉ?＼??ＩＬＬ??４／６Ｔ?５／６Ｔ?６／６Ｔ??图３－４动静交界而涡量分布??图３－５显示了叶栅不问截面流体静压的ＦＦＴ频谱分布图，横．坐标为频率，纵坐标为功??率频谱密度。阁３－５（ａ）为０．?１２Ｃｘ处Ｍ迹脱落频谱密度图，由图可知尾迹脱落频率为７５Ｈｚ??时功率频谱密度最火，静叶尾迹出现明显分离现象，之后又出现１２５Ｈｚ和２２５Ｈｚ的脱落频??率，三荇之间存在倍频关系，虽然各个界面的频谱密度不同似是这样的倍频关系普遍存在。??由图可以看出，功率频谱密度会随着尾缘方向逐渐增大，并且在接近尾缘处时达到最大，??这说明静叶尾迹在经过周期性的增强和衰减之后，对尾缘附近的气动性能影响较大，这是??因为上游静叶尾迹在通过尾缘时加速了尾缘的流体移动，增加了二次流的湍动能，而且重??新构造部分主流的流动结构，并且由Ｐ尾缘附近流动结构复杂，通道内的涡量分布不规则，??所以越接近尾缘流体携带的能量越大，从而导致尾缘处的气动性能不稳定。由图３－５（ｄ），??３－５（ｅ）来看，最大频谱密度Ｍ现倍数增Ｋ：，说明此刻流体携带的能量出现急剧升高，静压脉??动明显，叶栅通道不稳定性升高。图３－５（ｆ）中在第一个尾迹脱落
【参考文献】：
期刊论文
[1]上游尾迹对高负荷低压涡轮非定常气动性能的影响[J]. 屈骁,张燕峰,卢新根,朱俊强. 工程热物理学报. 2019(09)
[2]高负荷透平叶片流动机理及湍流特性研究[J]. 卞修涛,林敦,苏欣荣,袁新. 工程热物理学报. 2019(08)
[3]非设计状态下尾迹输运对高负荷低压涡轮附面层的影响[J]. 瞿红春,谭天荣,郭君德,陈天铭,吴兴爽,孙爽. 推进技术. 2019(09)
[4]高压透平导叶尾迹涡的发展与机理分析[J]. 林敦,苏欣荣,袁新. 工程热物理学报. 2018(02)
[5]基于DDES的跨声速导叶中激波与边界层干涉机理研究[J]. 卞修涛,林敦,苏欣荣,袁新. 推进技术. 2017(10)
[6]跨音透平中激波与边界层、尾迹干涉机理研究[J]. 卞修涛,林敦,苏欣荣,袁新. 工程热物理学报. 2017(05)
[7]尾迹对涡轮叶栅边界层转捩的影响[J]. 李虹杨,郑赟. 推进技术. 2017(03)
[8]高压透平导叶的DDES模拟[J]. 林敦,苏欣荣,袁新. 工程热物理学报. 2016(10)
[9]动静干涉对涡轮转子叶片气膜冷却的影响[J]. 李虹杨,郑赟. 北京航空航天大学学报. 2016(01)
[10]非定常尾迹宽度对动叶传热影响的数值研究[J]. 张玲,汪山入,祝健,徐健翔. 中国电机工程学报. 2014(35)
博士论文
[1]高负荷涡轮端区非定常流动机理及损失控制研究[D]. 魏佐君.西北工业大学 2016
[2]非定常尾迹对气膜冷却影响的研究[D]. 蒋雪辉.中国科学院研究生院（工程热物理研究所） 2004
硕士论文
[1]上游尾迹对气膜冷却影响的研究[D]. 印洲.南京航空航天大学 2016
本文编号：3123810
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