針對燃氣輪機動-靜旋轉盤腔流動特性進行研究,采用壓力修正方法求解動量方程,加入基于盤面摩擦系數的角動量守恒方程求解旋流系數,提出了基于當地流動參數C_qr=0.1的盤腔流態(tài)判斷方法,采用考慮摩擦力矩做功的能量守恒方程來模擬溫升,從而建立了盤腔流動的一維高精度方法。最后通過與三維CFD計算分析對比了文獻[14]、文獻[12]兩種摩擦系數計算模型對流動及溫升模擬的影響。研究表明:采用C_qr=0.1盤腔流態(tài)判定準則的一維計算結果與CFD結果吻合,流態(tài)分界位置基本一致;PAP模型計算的壓增與CFD吻合較好,差異在5%,文獻[12]在低轉速條件下最大差異在20%;文獻[14]計算的風阻溫升與CFD吻合較好,差異在2%,而文獻[12]模型差異在15%左右,故采用文獻[14]模型可有效提高盤腔模擬的精度。 

【文章來源】：熱能動力工程. 2020,35(05)北大核心CSCD

【文章頁數】：8 頁

【部分圖文】：

計算模型及網格

通過圖4(a)的平面流線可以看出,旋轉盤腔內出現了明顯的沿徑向的二次流動,在入口段,流線分布較均勻,該區(qū)域為源區(qū),呈現Stewartson的流動特點,旋流系數為零,隨著半徑的增大,出現了以Batchelor流動為特征的核心區(qū),旋流系數逐漸增大,核心區(qū)蔓延至出口。從圖4(b)壓力分布云圖可以看出壓力與半徑成正比的關系,且壓力梯度隨半徑增大逐漸增大。從圖4(c)的溫度云圖可以看出,溫度也呈現隨半徑增大逐漸升高的趨勢,左側動盤面的溫度低于右側靜盤面的溫度,這是由于入口段的冷卻流體在動盤面旋轉抽吸作用下先進入動盤面邊界層,因此該區(qū)域溫度會較低,隨著半徑的增大,摩擦力矩做功產生的熱量逐漸累積,溫度會不斷升高。為了更好的對比這兩種摩擦系數的求解方法,計算了兩種方法的動靜摩擦系數項(cf·Re ω 0.2 ),如圖5所示,從圖中可以看出,相對于文獻[12]方法,文獻[14]方法提高了動盤的摩擦系數,且動靜摩擦系數之差在β<0.41的區(qū)間也有較大的提高,最大提高了0.012,這會導致動盤面的摩擦力做功增強,會提高盤腔的旋流系數及風阻溫升。

圖6給出了兩種方法在相同流量系數Cw 為19 355和不同轉速下的壓力分布的對比,其中Cw=m/(μr),m為流量,μ為動力粘性系數,r為盤腔最大半徑。從圖中可以看出三維計算和一維計算都存在一個壓力平緩區(qū),其無量綱半徑 r ˉ <0.6 ,這與三維云圖吻合一致,因此該區(qū)域為源區(qū),通過圖7的旋流系數分布云圖可以看出,該區(qū)域的旋流系數約為零,旋轉增壓項為零,從圖中可以看出,一維計算旋流系數增加的位置與CFD結果基本吻合,因此本文采用的源區(qū)邊界的判斷方法比較準確。通過壓力曲線圖可以看出,文獻[14]模型計算的壓力與三維計算更加吻合,誤差在5%左右,文獻[12]模型在低轉速區(qū)誤差較大,壓力的最大誤差在20%。從圖5中可以看出由于文獻[12]模型的動靜摩擦系數差比文獻[14]模型小,因此其旋流系數也相應小于文獻[14]模型,這導致其旋轉增壓的效果也較弱,故其壓增小于文獻[14]模型。我們還可以看出隨著轉速的增大這種差異會逐漸縮小,這是由于隨著轉速的增大,從圖中可以看出,最大旋流系數也有增大的趨勢,而從圖5中可以看出,隨著旋流系數的增大,兩種模型動靜摩擦系數之差的差異會逐漸減小,這會導致壓增差異減小。圖6 流量系數為19 355時不同轉速下的壓力徑向分布


本文編號：3258649