压气机旋转盘腔流动与换热性能研究

发布时间：2017-08-09 20:35

  本文关键词：压气机旋转盘腔流动与换热性能研究

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【摘要】：压气机旋转盘腔是航空发动机中冷却空气所经流路的主要部分,具有典型的气动、传热、强度等多学科耦合特征,对压气机部件及航空发动机整机的性能和稳定运行具有重要影响和作用。压气机旋转盘腔内流动与换热性能的准确预测是实现航空发动机高可靠性设计的关键。本论文将针对这一问题,基于单腔/多腔模型,深入探讨盘腔内中心区/近壁区涡系结构及壁面换热性能分布趋势,并进一步研究不同盘腔结构内流动与换热性能;针对起飞/巡航与怠速工况,通过对无量纲特征参数的分类分析,研究其流动与换热性能的变化规律;结合盘腔简单流固共轭传热模拟,提炼不同工况对叶片叶顶间隙影响规律。本文主要进行了以下研究内容:首先,针对简化的单腔和双腔模型进行了流固共轭传热数值模拟,利用已有的实验数据进行算例校核,并在此基础上研究了轴向雷诺数和旋转雷诺数对盘腔流动和换热的影响。研究表明,随着旋转雷诺数的提升,两盘腔内的流动结构趋于复杂,涡系增多且混乱,换热性能也明显增强。而轴向雷诺数的变化对盘腔内的流动结构影响不明显,但换热性能对此变化却较为敏感。其次,研究了多盘腔流动和换热,对真实压气机盘腔分别开展了起飞、怠速、巡航三种工况的流动和换热研究,研究表明:不同工况下,盘腔内的流动和换热性能存在很大的差异。具体表现在,随着工况的变化,盘腔流动的涡系结构、流体域温度分布及固体壁面温度分布都存在明显的变化。最后,在真实压气机盘腔固体域模型上研究了盘腔的热变形,分别针对起飞、怠速、巡航三种工况开展了热变形和温度分布规律探索,研究表明在最大转速下,盘腔热变形量变化幅值最大,且周向存在明显不均性,而随着转速的降低,这一趋势明显减小,低至怠速工况时,盘腔热变形对叶顶间隙的影响可以不考虑。
【关键词】：流动与换热性能 旋转盘腔 压气机 航空发动机
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V231
【目录】：

• 摘要4-5
• abstract5-10
• 第1章 绪论10-19
• 1.1 课题研究的背景及意义10-12
• 1.2 压气机盘腔流动和换热国内外研究现状12-17
• 1.3 本课题主要研究内容17-19
• 第2章 数值模拟方法19-23
• 2.1 前言19
• 2.2 计算软件19-20
• 2.3 数值方法20-22
• 2.3.1 控制方程20-21
• 2.3.2 湍流模型21
• 2.3.3 近壁面处理方法21-22
• 2.3.4 计算方法及网格划分22
• 2.4 本章小结22-23
• 第3章 简化旋转盘腔流固共轭传热模拟模型研究23-43
• 3.1 引言23
• 3.2 数值方法23
• 3.3 单盘腔流固共轭传热模拟研究23-29
• 3.3.1 旋转盘腔介绍23-24
• 3.3.2 数值方法校核24-27
• 3.3.3 气动性能分析27-29
• 3.4 双盘腔流固共轭传热研究29-41
• 3.4.1 实验数据校核30-33
• 3.4.2 旋转雷诺数对换热与流动性能影响分析33-37
• 3.4.3 轴向雷诺数对换热与流动性能影响分析37-41
• 3.5 本章小结41-43
• 第4章 多盘腔气动与传热性能研究43-59
• 4.1 引言43
• 4.2 多盘腔流固共轭传热研究43-50
• 4.2.1 计算工况及条件说明43-44
• 4.2.2 气动性能分析44-50
• 4.3 真实盘腔流固共轭传热分析研究50-57
• 4.3.1 计算工况及条件说明51
• 4.3.2 不同工况下压气机盘腔气热流动特性51-57
• 4.4 本章小结57-59
• 第5章 典型飞行工况下叶尖间隙变化规律研究与分析59-67
• 5.1 引言59-61
• 5.2 不同工况下高压压气机盘热变形对间隙影响61-66
• 5.2.1 起飞工况下高压压气机盘温度分布及变形61-62
• 5.2.2 巡航工况下高压压气机盘温度分布及变形62-64
• 5.2.3 怠速工况下高压压气机盘温度分布及变形64-66
• 5.3 本章小结66-67
• 结论67-69
• 参考文献69-73
• 攻读硕士期间发表论文与研究成果清单73-74
• 致谢74

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本文编号：647210