透平叶栅流动和换热特性的数值研究

发布时间：2017-09-22 12:07

  本文关键词：透平叶栅流动和换热特性的数值研究

  更多相关文章： 透平叶栅 数值模拟 Realizable k-ε SST k-ω V~2-F 二次流 压力相对误差 气膜冷却 流动和传热

【摘要】：提高透平燃气入口温度可以有效提升燃气轮机效率,但是叶片材料耐高温性能的发展远远跟不上当今透平入口温度提升的需求,因此发展更先进的冷却技术迫在眉睫。气膜冷却作为现代涡轮部件的主要热防护方式之一,研究其在透平叶栅中的流动和传热特性,可以帮助设计人员更好地优化现有冷却技术。在真实透平运行工况下,高温、高压、高旋转、高湍度的条件使得关于真实透平的实验研究困难重重。实验室研究人员通常采取简化的线性叶栅实验或在苛刻条件下采用数值模拟的方法对透平展开研究。本文将使用三种湍流模型对实验中的简化方式进行数值验证,并对复杂气膜冷却的真实静子叶栅中流-固耦合气动和换热特性进行研究。本文的数值模拟是采用商业软件SolidWorks 2014进行建模,然后导入Ansys ICEM 15.0中划分网格,使用Ansys Fluent 15.0进行数值计算,最后应用流体力学视觉化软件Tecplot 360 2013 R1、Excel 2012等软件进行数据后处理。主要研究内容聚焦在以下三个方面：(1)应用Realizable k-ε、SST k-ω和V2-F湍流模型,模拟了室温室压条件下,线性平面透平叶栅双通道水洞实验中的流动特性。分别使用这三种湍流模型,验证了线性叶栅试验中沿翼展中截面的流动对称性简化和使用双通道模拟真实的流动周期性是可行的；研究了前缘及叶栅入口通道中的二次流变化,通过与实验数据对比,发现V2-F模型能够完整的预测出各个截面上的二次流特征,并很好的反映压力侧马蹄涡在向下游流动时逐渐偏移向吸力侧的过程。(2)使用V2-F湍流模型,分别研究了流体工质为不可压缩的水和可压缩的理想气体两种工况下,采用轴向旋转角度约为7.826°周期性边界条件的环形叶栅单通道和采用线性周期性条件的平面叶栅单通道中的静压分布。在这两种工况下,分别比较了环形叶栅和线性叶栅中沿轴向顺流方向和翼展高度方向上压力变化的差异；指出将环形叶栅简化为线性叶栅时,可接受的压力相对误差(≤5%)的分布区域,为线性简化后提供了合理的研究区域；最后分别展示了环形叶栅与线性叶栅中前缘及入口通道中的二次流变化特征。(3)采用Realizable k-ε、SST k-ω和V2-F湍流模型,引入流-固耦合的分析方法,研究了实验条件下的带有复杂气膜冷却装置的真实环形叶栅中的气动和传热特性。分别比较了不同湍流模型预测的静叶外表面静压分布、通道中的总压损失、叶片外表面换热系数及气膜冷却效率分布；并研究了主流入口与出口总压压比变化对流动和传热特性的影响；还对比了耦合传热及绝热壁面条件下的气膜冷却效率,指出叶片热传导性在气膜冷却中的作用。
【关键词】：透平叶栅 数值模拟 Realizable k-ε SST k-ω V~2-F 二次流 压力相对误差 气膜冷却 流动和传热
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TK471
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第1章 绪论11-27
• 1.1 燃气透平叶栅的研究背景与意义11-12
• 1.2 透平叶片冷却技术概述12-16
• 1.3 透平叶片气膜冷却研究现状16-20
• 1.3.1 气膜冷却的实验研究16-18
• 1.3.2 数值研究18-20
• 1.4 湍流模型及数学控制方程的介绍20-26
• 1.4.1 湍流模型介绍20-23
• 1.4.2 数学控制方程介绍23-26
• 1.5 本文的研究内容26-27
• 第2章 实验简化方法的数值验证及湍流模型的评估27-47
• 2.1 引言27-28
• 2.2 本章内容介绍28
• 2.3 线性叶栅双通道TRPIV试验介绍28-31
• 2.4 数值模型与计算方法31-34
• 2.4.1 物理模型31-32
• 2.4.2 网格划分及网格独立性检查32-34
• 2.4.3 计算设置34
• 2.5 数值结果与讨论34-45
• 2.5.1 线性叶栅通道内翼展高度方向上流动对称性的数值验证34-36
• 2.5.2 用线性叶栅双通道模拟实际透平叶栅中流动周期性的数值验证36-39
• 2.5.3 评估不同湍流模型预测线性叶栅通道内二次流特性的能力39-45
• 2.6 本章总结45-47
• 第3章 用V~2-F湍流模型研究环形和线性单通道叶栅中流场特性的区别47-65
• 3.1 引言47-49
• 3.2 不可压缩流体与可压缩流体的流场特性介绍49-50
• 3.3 数值模型与计算方法50-53
• 3.3.1 几何模型与网格划分50-51
• 3.3.2 网格独立性检查51-52
• 3.3.3 计算设置52-53
• 3.4 主流为不可压缩流体时,叶栅中的流场特性53-57
• 3.4.1 主流为水时,环形叶栅与线性叶栅中的静压力分布53-55
• 3.4.2 主流为水时,环形叶栅与线性叶栅通道中的二次流特征55-57
• 3.5 主流为可压缩气体时,叶栅中的流场特性57-62
• 3.5.1 主流为理想气体时,环形叶栅与线性叶栅中的静压力分布57-60
• 3.5.2 主流为可压缩流体时,环形叶栅与线性叶栅中的二次流特征60-62
• 3.6 本章小结62-65
• 第4章 数值研究气膜冷却的真实透平静叶的稳态气动和耦合传热特性65-91
• 4.1 引言65-66
• 4.2 本章内容介绍66-67
• 4.3 数值建模与计算方法介绍67-73
• 4.3.1 几何模型介绍67-68
• 4.3.2 计算网格划分及网格独立性检查68-70
• 4.3.3 边界条件及计算设置70-73
• 4.4 结果与分析73-89
• 4.4.1 数值策略的验证73-76
• 4.4.2 气动特性的预测76-81
• 4.4.3 热学特性方面的预测81-89
• 4.5 本章小结89-91
• 第5章 总结与展望91-95
• 参考文献95-103
• 致谢103-105
• 个人简历105
• 已发表论文105

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前7条

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