本文關(guān)鍵詞：不同幾何條件下超聲速膨脹器氣動(dòng)特性研究

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【摘要】：渦輪作為燃?xì)廨啓C(jī)的三大核心部件之一,其性能的改善是提高燃?xì)廨啓C(jī)整機(jī)性能的有效途徑。提高渦輪性能除了不斷提高其進(jìn)口總溫之外,開發(fā)新穎結(jié)構(gòu)渦輪也是一種行之有效的方法。好的結(jié)構(gòu)方案不僅能夠?yàn)闇u輪氣動(dòng)性能的改進(jìn)和提高建立基礎(chǔ),還可以降低燃?xì)廨啓C(jī)的整體重量,提高功重比。超聲速膨脹器是融合了二元超聲速噴管和軸流及向心式渦輪設(shè)計(jì)技術(shù)的一種新穎的渦輪結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)上的顯著特點(diǎn)是以隔板替代渦輪葉片,并利用傳統(tǒng)意義S2流面沿流向的擴(kuò)張來實(shí)現(xiàn)氣流的膨脹做功。與常規(guī)渦輪相比,超聲速膨脹器能夠減少氣流在膨脹系統(tǒng)中的流動(dòng)損失,并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,重量輕、成本低、維修方便等優(yōu)點(diǎn),在小型船舶動(dòng)力、小型發(fā)電燃?xì)廨啓C(jī)、渦輪泵和分布式供能用微小型燃?xì)廨啓C(jī)中有著令人期待的應(yīng)用前景,對(duì)其開展全面、深入的研究具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。本文首先對(duì)超聲速膨脹器的總體方案進(jìn)行了研究,提出了一種輻條式輪盤結(jié)構(gòu)的超聲速膨脹器,給出了其總體結(jié)構(gòu)參數(shù),以此為基礎(chǔ),數(shù)值分析了超聲速膨脹器的三維流場(chǎng),并根據(jù)超聲速膨脹器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和三維流道內(nèi)部的流動(dòng)特性,就幾何結(jié)構(gòu)對(duì)超聲速膨脹器流場(chǎng)和性能的影響進(jìn)行了數(shù)值研究,在研究中著重考慮關(guān)鍵幾何參數(shù)、膨脹型面造型和隔板結(jié)構(gòu)。三維流場(chǎng)數(shù)值研究結(jié)果表明,超聲速膨脹器主要靠下端壁向外的擴(kuò)張實(shí)現(xiàn)氣流的減壓增速,膨脹流道入口膨脹波的出現(xiàn)導(dǎo)致了壓力沿節(jié)距方向的非均勻分布,進(jìn)而影響三維流道內(nèi)的流場(chǎng)：膨脹流道出口附面層分離、回流、低能流體與主流摻混、斜激波以及斜激波與附面層的相互作用是三維流道內(nèi)能量損失的主要來源。3種隔板安裝角和5種出進(jìn)口面積比超聲速膨脹器設(shè)計(jì)工況下數(shù)值研究結(jié)果表明,隨隔板安裝角增加,超聲速膨脹器的膨脹比降低,效率有所提高；隨出進(jìn)口面積比增加,超聲速膨脹器的膨脹比增大,效率降低；為獲得綜合性能較優(yōu)的超聲速膨脹器結(jié)構(gòu),需在較小出進(jìn)口面積比和較大隔板安裝角之間做折衷選擇。不同膨脹型面超聲速膨脹器設(shè)計(jì)工況下數(shù)值研究結(jié)果表明,膨脹型面顯著影響三維流道的局部流場(chǎng)和性能,沿節(jié)距方向直線型膨脹型面的膨脹器速度分布在3種膨脹型面結(jié)構(gòu)中最為均勻,出口平均絕對(duì)馬赫數(shù)最大,膨脹比最大,說明S2流面沿流向逐步緩慢擴(kuò)張有利于氣流的膨脹加速。不同隔板截面形狀超聲速膨脹器設(shè)計(jì)工況下數(shù)值研究結(jié)果表明,矩形截面形狀的超聲速膨脹器近吸力面區(qū)域氣流速度大,斜激波之后流動(dòng)損失低,效率較高；正梯形截面形狀的超聲速膨脹器出口平均絕對(duì)馬赫數(shù)、靜壓比以及膨脹比大,綜合性能相對(duì)最優(yōu)。論文進(jìn)一步研究了間隙高度、隔板與機(jī)匣相對(duì)運(yùn)動(dòng)以及來流攻角對(duì)超聲速膨脹器間隙流動(dòng)的影響情況。結(jié)果表明,超聲速膨脹器隔板頂部間隙內(nèi)不存在復(fù)雜的三維流動(dòng),在壓差和剪切應(yīng)力作用下,隔板頂部前緣附近氣流經(jīng)間隙流到吸力面?zhèn)群臀簿壐浇孤┝黧w越過間隙重新流回壓力面?zhèn)仁情g隙內(nèi)氣流的主要運(yùn)動(dòng)形式。隨間隙增加,氣流最高相對(duì)馬赫數(shù)降低,高速區(qū)范圍逐步縮小,泄漏渦增強(qiáng),尺度變大,橫向和徑向運(yùn)動(dòng)明顯,泄漏損失增加,本文研究范圍內(nèi),超聲速膨脹器的間隙宜在0.9%～1.5%喉部高度之間選取。機(jī)匣與隔板相對(duì)靜止降低了黏性剪切力的作用,但端壁的壁面效應(yīng)對(duì)間隙流動(dòng)卻存在影響,端壁相對(duì)運(yùn)動(dòng)削弱了泄漏渦的橫向運(yùn)動(dòng),分離線向吸力面靠近,與常規(guī)渦輪不同的是,泄漏流量卻是增加的,且泄漏渦增強(qiáng),由此導(dǎo)致的流動(dòng)損失上升。壓力面靜壓幾乎不隨攻角變化,而吸力面靜壓對(duì)來流攻角則較為敏感,特別是隔板前緣,隨攻角增加,吸力面靜壓明顯降低,最終導(dǎo)致隔板載荷的增加;攻角對(duì)尾跡的影響不大,小攻角增加了吸力面與下端壁相接角區(qū)的損失,而大攻角會(huì)導(dǎo)致泄漏損失的增加。論文最后對(duì)超聲速膨脹器的變工況特性進(jìn)行了研究,結(jié)果表明,進(jìn)口絕對(duì)總壓的增加,降低了泄漏流量,泄漏渦強(qiáng)度減弱,尺度變小,但橫向運(yùn)動(dòng)增強(qiáng),沿流向吸力面流動(dòng)損失明顯降低,下端壁低能流體所導(dǎo)致的損失也有所下降,較小進(jìn)口絕對(duì)總壓將造成三維流道內(nèi)的流動(dòng)損失巨大。轉(zhuǎn)速的上升降低了三維流道內(nèi)氣流的速度,節(jié)距方向速度梯度減小,下端壁附近高速區(qū)向出口遷移,上端壁附近由泄漏流體導(dǎo)致的低速區(qū)影響范圍縮小,出口近壓力面和吸力面高速區(qū)范圍明顯縮減,斜激波向出口遷移,同時(shí)也降低了泄漏和近壁面低能流體所導(dǎo)致的損失。
【關(guān)鍵詞】：超聲速膨脹器 膨脹型面 隔板截面形狀 間隙高度 端壁相對(duì)運(yùn)動(dòng) 變工況特性
【學(xué)位授予單位】：大連海事大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TK473
【目錄】：

• 創(chuàng)新點(diǎn)摘要5-6
• 摘要6-8
• 英文摘要8-16
• 第1章 緒論16-40
• 1.1 研究背景及意義16-18
• 1.2 超聲速膨脹器的概念18-22
• 1.3 單斜面膨脹噴管的研究22-25
• 1.3.1 單斜面膨脹噴管的國(guó)外研究現(xiàn)狀22-23
• 1.3.2 單斜面膨脹噴管的國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀23-25
• 1.4 渦輪葉片設(shè)計(jì)體系的發(fā)展25-33
• 1.4.1 一維經(jīng)驗(yàn)和二維半經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)體系26
• 1.4.2 準(zhǔn)三維設(shè)計(jì)體系26-29
• 1.4.3 全三維設(shè)計(jì)體系29-32
• 1.4.4 時(shí)均和非定常設(shè)計(jì)體系32-33
• 1.5 渦輪內(nèi)部損失及間隙流動(dòng)33-36
• 1.5.1 渦輪內(nèi)部損失形式33-34
• 1.5.2 渦輪間隙流動(dòng)的影響因素34-36
• 1.6 彎、扭和掠技術(shù)改善渦輪葉柵氣動(dòng)性能36-38
• 1.7 本文主要研究?jī)?nèi)容38-40
• 第2章 數(shù)值計(jì)算方法40-60
• 2.1 引言40
• 2.2 數(shù)值方法40-52
• 2.2.1 數(shù)值模擬工具40-42
• 2.2.2 控制方程42-44
• 2.2.3 差分格式44-45
• 2.2.4 湍流模型45-49
• 2.2.5 網(wǎng)格劃分49-50
• 2.2.6 邊界條件50-52
• 2.3 數(shù)值方法校核52-58
• 2.3.1 超聲速進(jìn)氣道52-54
• 2.3.2 跨聲速渦輪54-57
• 2.3.3 網(wǎng)格精度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響57-58
• 2.4 本章小結(jié)58-60
• 第3章 幾何結(jié)構(gòu)對(duì)超聲速膨脹器流場(chǎng)及性能的影響60-100
• 3.1 引言60
• 3.2 超聲速膨脹器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)60-71
• 3.2.1 總體結(jié)構(gòu)60-61
• 3.2.2 氣流流道設(shè)計(jì)方案61-62
• 3.2.3 喉部穩(wěn)定段62-64
• 3.2.4 超聲速膨脹段64-66
• 3.2.5 內(nèi)部流動(dòng)理論66-69
• 3.2.6 數(shù)據(jù)處理69-70
• 3.2.7 幾何參數(shù)范圍70-71
• 3.3 超聲速膨脹器內(nèi)部流動(dòng)特性71-78
• 3.3.1 計(jì)算模型71
• 3.3.2 三維流道內(nèi)部流動(dòng)特性71-76
• 3.3.3 出口氣動(dòng)參數(shù)沿徑向分布76-78
• 3.4 關(guān)鍵幾何參數(shù)對(duì)超聲速膨脹器流場(chǎng)的影響78-84
• 3.4.1 計(jì)算模型78-79
• 3.4.2 相對(duì)馬赫數(shù)等值線79-80
• 3.4.3 出口流場(chǎng)分布80-82
• 3.4.4 出口氣動(dòng)參數(shù)及性能82-84
• 3.5 膨脹型面造型方式對(duì)超聲速膨脹器流場(chǎng)及性能的影響84-91
• 3.5.1 計(jì)算模型84-85
• 3.5.2 S1流面的流動(dòng)特性85-87
• 3.5.3 壁面極限流線和熵分布87-89
• 3.5.4 非設(shè)計(jì)工況下特性曲線89-91
• 3.6 隔板截面造型對(duì)超聲速膨脹器流場(chǎng)及性能的影響91-98
• 3.6.1 計(jì)算模型91-92
• 3.6.2 隔板截面造型對(duì)相對(duì)馬赫數(shù)等值線的影響92-94
• 3.6.3 隔板截面造型對(duì)熵和流線分布的影響94-96
• 3.6.4 隔板截面造型對(duì)出口氣動(dòng)參數(shù)的影響96-98
• 3.7 本章小結(jié)98-100
• 第4章 超聲速膨脹器間隙流動(dòng)機(jī)理及影響因素100-130
• 4.1 引言100
• 4.2 超聲速膨脹器間隙流動(dòng)形成機(jī)理100-104
• 4.2.1 間隙泄漏流動(dòng)結(jié)構(gòu)100-101
• 4.2.2 間隙泄漏損失分布101-104
• 4.3 間隙高度對(duì)超聲速膨脹器流動(dòng)特性的影響104-114
• 4.3.1 間隙高度對(duì)相對(duì)馬赫數(shù)等值線的影響104-106
• 4.3.2 間隙高度對(duì)熵、靜壓與流線的影響106-109
• 4.3.3 間隙高度對(duì)隔板載荷的影響109-112
• 4.3.4 出口氣動(dòng)參數(shù)和膨脹器性能112-114
• 4.4 機(jī)匣與隔板相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)間隙流動(dòng)的影響114-122
• 4.4.1 間隙內(nèi)熵和流線分布114-117
• 4.4.2 流道內(nèi)流動(dòng)特性117-119
• 4.4.3 出口流場(chǎng)與氣動(dòng)參數(shù)119-122
• 4.5 來流攻角對(duì)超聲速膨脹器氣動(dòng)性能的影響122-128
• 4.5.1 來流攻角對(duì)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的影響122-124
• 4.5.2 來流攻角對(duì)負(fù)荷及出口氣動(dòng)參數(shù)的影響124-126
• 4.5.3 來流攻角對(duì)膨脹器總體性能的影響126-128
• 4.6 本章小結(jié)128-130
• 第5章 超聲速膨脹器變工況特性研究130-144
• 5.1 引言130
• 5.2 進(jìn)口絕對(duì)總壓對(duì)超聲速膨脹器流動(dòng)特性的影響130-135
• 5.2.1 相對(duì)馬赫數(shù)130-133
• 5.2.2 間隙流動(dòng)特性133-134
• 5.2.3 出口氣動(dòng)參數(shù)134-135
• 5.3 轉(zhuǎn)速對(duì)超聲速膨脹器流動(dòng)特性的影響135-139
• 5.3.1 相對(duì)馬赫數(shù)135-138
• 5.3.2 間隙流動(dòng)特性138
• 5.3.3 出口氣動(dòng)參數(shù)138-139
• 5.4 超聲速膨脹器特性曲線139-142
• 5.5 本章小結(jié)142-144
• 結(jié)論144-147
• 參考文獻(xiàn)147-163
• 攻讀學(xué)位期間公開發(fā)表論文163-164
• 致謝164-165
• 作者簡(jiǎn)介165

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 韓吉昂;鐘兢軍;卜方;;旋轉(zhuǎn)沖壓壓氣機(jī)壓縮轉(zhuǎn)子技術(shù)分析及展望[J];飛航導(dǎo)彈;2007年07期

2 韓萬今,黃洪雁,侯建東,王仲奇;葉片正彎對(duì)間隙流動(dòng)的影響[J];工程熱物理學(xué)報(bào);1997年04期

3 鐘兢軍;楊凌;嚴(yán)紅明;韓吉昂;;隔板截面形狀對(duì)旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子性能的影響[J];工程熱物理學(xué)報(bào);2011年04期

4 楊凌;鐘兢軍;韓吉昂;孟麗麗;;關(guān)鍵幾何參數(shù)對(duì)旋轉(zhuǎn)沖壓壓縮轉(zhuǎn)子流場(chǎng)及性能影響研究[J];工程熱物理學(xué)報(bào);2012年03期

5 譚春青，王仲奇，韓萬今;在大轉(zhuǎn)角透平葉柵中葉片反彎曲對(duì)通道渦及靜壓場(chǎng)的影響[J];工程熱物理學(xué)報(bào);1994年02期

6 王仲奇，韓萬金，黃家驊，，黃鴻雁;葉片弦向傾斜對(duì)損失發(fā)展的影響及葉片反彎降低損失機(jī)理的研究[J];工程熱物理學(xué)報(bào);1996年01期

7 馬國(guó)寶;二次拋物線型面噴管參數(shù)的優(yōu)化選擇[J];固體火箭技術(shù);1995年03期

8 饒清華;邱宇;許麗忠;張江山;;節(jié)能減排指標(biāo)體系與績(jī)效評(píng)估[J];環(huán)境科學(xué)研究;2011年09期

9 文科;李旭昌;馬岑睿;馬海英;宋亞飛;;不同入口馬赫數(shù)對(duì)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管的性能影響研究[J];火箭推進(jìn);2011年03期

10 王仲奇 ,楊弘 ,劉鳳君 ,黃影虹 ,馮國(guó)泰;具有彎扭葉片的燃?xì)馔钙秸龁栴}計(jì)算方法[J];航空動(dòng)力學(xué)報(bào);1992年02期

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 趙洪雷;航空軸流渦輪的多級(jí)氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及氣動(dòng)性能研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2007年

2 陳兵;空間推進(jìn)算法及超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)部件優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D];北京航空航天大學(xué);2006年

3 鄧慶鋒;渦輪壓力可控渦設(shè)計(jì)技術(shù)研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2013年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 王仲文;工業(yè)汽輪機(jī)電液控制系統(tǒng)的研制與仿真分析[D];哈爾濱理工大學(xué);2008年

2 靳杰;渦輪S_2流面正問題氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2008年

本文編號(hào)：765042