本文關(guān)鍵詞：透平葉柵流動和換熱特性的數(shù)值研究

  更多相關(guān)文章： 透平葉柵 數(shù)值模擬 Realizable k-ε SST k-ω V~2-F 二次流 壓力相對誤差 氣膜冷卻 流動和傳熱

【摘要】：提高透平燃?xì)馊肟跍囟瓤梢杂行嵘細(xì)廨啓C(jī)效率,但是葉片材料耐高溫性能的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上當(dāng)今透平入口溫度提升的需求,因此發(fā)展更先進(jìn)的冷卻技術(shù)迫在眉睫。氣膜冷卻作為現(xiàn)代渦輪部件的主要熱防護(hù)方式之一,研究其在透平葉柵中的流動和傳熱特性,可以幫助設(shè)計人員更好地優(yōu)化現(xiàn)有冷卻技術(shù)。在真實透平運行工況下,高溫、高壓、高旋轉(zhuǎn)、高湍度的條件使得關(guān)于真實透平的實驗研究困難重重。實驗室研究人員通常采取簡化的線性葉柵實驗或在苛刻條件下采用數(shù)值模擬的方法對透平展開研究。本文將使用三種湍流模型對實驗中的簡化方式進(jìn)行數(shù)值驗證,并對復(fù)雜氣膜冷卻的真實靜子葉柵中流-固耦合氣動和換熱特性進(jìn)行研究。本文的數(shù)值模擬是采用商業(yè)軟件SolidWorks 2014進(jìn)行建模,然后導(dǎo)入Ansys ICEM 15.0中劃分網(wǎng)格,使用Ansys Fluent 15.0進(jìn)行數(shù)值計算,最后應(yīng)用流體力學(xué)視覺化軟件Tecplot 360 2013 R1、Excel 2012等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理。主要研究內(nèi)容聚焦在以下三個方面：(1)應(yīng)用Realizable k-ε、SST k-ω和V2-F湍流模型,模擬了室溫室壓條件下,線性平面透平葉柵雙通道水洞實驗中的流動特性。分別使用這三種湍流模型,驗證了線性葉柵試驗中沿翼展中截面的流動對稱性簡化和使用雙通道模擬真實的流動周期性是可行的；研究了前緣及葉柵入口通道中的二次流變化,通過與實驗數(shù)據(jù)對比,發(fā)現(xiàn)V2-F模型能夠完整的預(yù)測出各個截面上的二次流特征,并很好的反映壓力側(cè)馬蹄渦在向下游流動時逐漸偏移向吸力側(cè)的過程。(2)使用V2-F湍流模型,分別研究了流體工質(zhì)為不可壓縮的水和可壓縮的理想氣體兩種工況下,采用軸向旋轉(zhuǎn)角度約為7.826°周期性邊界條件的環(huán)形葉柵單通道和采用線性周期性條件的平面葉柵單通道中的靜壓分布。在這兩種工況下,分別比較了環(huán)形葉柵和線性葉柵中沿軸向順流方向和翼展高度方向上壓力變化的差異；指出將環(huán)形葉柵簡化為線性葉柵時,可接受的壓力相對誤差(≤5%)的分布區(qū)域,為線性簡化后提供了合理的研究區(qū)域；最后分別展示了環(huán)形葉柵與線性葉柵中前緣及入口通道中的二次流變化特征。(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,研究了實驗條件下的帶有復(fù)雜氣膜冷卻裝置的真實環(huán)形葉柵中的氣動和傳熱特性。分別比較了不同湍流模型預(yù)測的靜葉外表面靜壓分布、通道中的總壓損失、葉片外表面換熱系數(shù)及氣膜冷卻效率分布；并研究了主流入口與出口總壓壓比變化對流動和傳熱特性的影響；還對比了耦合傳熱及絕熱壁面條件下的氣膜冷卻效率,指出葉片熱傳導(dǎo)性在氣膜冷卻中的作用。
【關(guān)鍵詞】：透平葉柵 數(shù)值模擬 Realizable k-ε SST k-ω V~2-F 二次流 壓力相對誤差 氣膜冷卻 流動和傳熱
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TK471
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第1章 緒論11-27
• 1.1 燃?xì)馔钙饺~柵的研究背景與意義11-12
• 1.2 透平葉片冷卻技術(shù)概述12-16
• 1.3 透平葉片氣膜冷卻研究現(xiàn)狀16-20
• 1.3.1 氣膜冷卻的實驗研究16-18
• 1.3.2 數(shù)值研究18-20
• 1.4 湍流模型及數(shù)學(xué)控制方程的介紹20-26
• 1.4.1 湍流模型介紹20-23
• 1.4.2 數(shù)學(xué)控制方程介紹23-26
• 1.5 本文的研究內(nèi)容26-27
• 第2章 實驗簡化方法的數(shù)值驗證及湍流模型的評估27-47
• 2.1 引言27-28
• 2.2 本章內(nèi)容介紹28
• 2.3 線性葉柵雙通道TRPIV試驗介紹28-31
• 2.4 數(shù)值模型與計算方法31-34
• 2.4.1 物理模型31-32
• 2.4.2 網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格獨立性檢查32-34
• 2.4.3 計算設(shè)置34
• 2.5 數(shù)值結(jié)果與討論34-45
• 2.5.1 線性葉柵通道內(nèi)翼展高度方向上流動對稱性的數(shù)值驗證34-36
• 2.5.2 用線性葉柵雙通道模擬實際透平葉柵中流動周期性的數(shù)值驗證36-39
• 2.5.3 評估不同湍流模型預(yù)測線性葉柵通道內(nèi)二次流特性的能力39-45
• 2.6 本章總結(jié)45-47
• 第3章 用V~2-F湍流模型研究環(huán)形和線性單通道葉柵中流場特性的區(qū)別47-65
• 3.1 引言47-49
• 3.2 不可壓縮流體與可壓縮流體的流場特性介紹49-50
• 3.3 數(shù)值模型與計算方法50-53
• 3.3.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分50-51
• 3.3.2 網(wǎng)格獨立性檢查51-52
• 3.3.3 計算設(shè)置52-53
• 3.4 主流為不可壓縮流體時,葉柵中的流場特性53-57
• 3.4.1 主流為水時,環(huán)形葉柵與線性葉柵中的靜壓力分布53-55
• 3.4.2 主流為水時,環(huán)形葉柵與線性葉柵通道中的二次流特征55-57
• 3.5 主流為可壓縮氣體時,葉柵中的流場特性57-62
• 3.5.1 主流為理想氣體時,環(huán)形葉柵與線性葉柵中的靜壓力分布57-60
• 3.5.2 主流為可壓縮流體時,環(huán)形葉柵與線性葉柵中的二次流特征60-62
• 3.6 本章小結(jié)62-65
• 第4章 數(shù)值研究氣膜冷卻的真實透平靜葉的穩(wěn)態(tài)氣動和耦合傳熱特性65-91
• 4.1 引言65-66
• 4.2 本章內(nèi)容介紹66-67
• 4.3 數(shù)值建模與計算方法介紹67-73
• 4.3.1 幾何模型介紹67-68
• 4.3.2 計算網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格獨立性檢查68-70
• 4.3.3 邊界條件及計算設(shè)置70-73
• 4.4 結(jié)果與分析73-89
• 4.4.1 數(shù)值策略的驗證73-76
• 4.4.2 氣動特性的預(yù)測76-81
• 4.4.3 熱學(xué)特性方面的預(yù)測81-89
• 4.5 本章小結(jié)89-91
• 第5章 總結(jié)與展望91-95
• 參考文獻(xiàn)95-103
• 致謝103-105
• 個人簡歷105
• 已發(fā)表論文105

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：900725