本文關(guān)鍵詞：低壓渦輪葉柵非定常流場演化特性的大渦模擬研究

  更多相關(guān)文章： 低壓渦輪 大渦模擬 來流攻角 雷諾數(shù) 周期性尾跡 邊界層分離

【摘要】：新世紀(jì)以來,航空工業(yè)的發(fā)展對航空發(fā)動機(jī)性能提出了更高的要求,低壓渦輪作為核心部件之一,其發(fā)展趨勢是減少葉片數(shù)量和重量,增加葉片負(fù)荷并提高效率,使發(fā)動機(jī)推重比上升,同時(shí)耗油率和制造成本大幅下降。低壓渦輪的工作雷諾數(shù)往往處于發(fā)動機(jī)所有部件中的最低水平,隨著負(fù)荷的升高,葉片表面邊界層極易發(fā)生分離、轉(zhuǎn)捩及再附等現(xiàn)象,導(dǎo)致發(fā)動機(jī)效率下降,性能惡化。因此,探討高負(fù)荷低壓渦輪內(nèi)部的非定常流動特性,特別是葉片表面邊界層的演化機(jī)理,對研制高性能航空發(fā)動機(jī)有重要的意義。本文基于動力渦粘模型,開發(fā)了適用于動、靜計(jì)算域同時(shí)存在的三維可壓縮流動大渦模擬程序。首先通過對單圓柱擾流、并列圓柱繞流和逆壓梯度條件下平板層流分離流動的模擬,驗(yàn)證程序的可靠性,并討論圓柱尾跡的運(yùn)動規(guī)律,以及逆壓梯度對平板層流邊界層轉(zhuǎn)捩的作用機(jī)理,為掌握低壓渦輪內(nèi)部的非定常流場特性奠定基礎(chǔ)。其次,對實(shí)驗(yàn)工況下的低壓渦輪流場進(jìn)行了全面研究,通過分析瞬態(tài)耗散函數(shù)的分布和變化規(guī)律,揭示了流道中損失產(chǎn)生的來源和原因。在此基礎(chǔ)上,分別對不同來流攻角和雷諾數(shù)條件下的葉柵非定常流場做了對比,著重探討了較大負(fù)攻角時(shí)壓力面邊界層和大尺度旋渦結(jié)構(gòu)的演化過程,以及雷諾數(shù)對吸力面邊界層發(fā)展過程的影響。最后,利用在葉柵進(jìn)口布置勻速運(yùn)動的圓柱模擬上游尾跡,研究了不同折合頻率條件下,尾跡對葉柵吸力面邊界層的作用機(jī)制和對氣動損失的影響。以典型低壓渦輪平面葉柵T106A為研究對象,從時(shí)均和瞬時(shí)流場兩個(gè)方面研究了葉柵內(nèi)部的流場特性。結(jié)果表明,吸力面靜壓系數(shù)在62%軸向弦長附近達(dá)到峰值,隨后受逆壓梯度和粘性共同作用,層流邊界層發(fā)生分離。吸力面剪切層依次經(jīng)歷了展向渦卷起和配對、?渦形成并生長等過程,大尺度旋渦的崩潰和破碎主要發(fā)生在葉柵尾跡區(qū)內(nèi),即尾緣之前并沒有完成轉(zhuǎn)捩,整個(gè)轉(zhuǎn)捩過程在葉柵尾跡內(nèi)結(jié)束。通過局部損失分布規(guī)律可知,吸力面前半部分及整個(gè)壓力面的近壁區(qū)、吸力面后部分離區(qū)與主流交界處、葉柵尾跡區(qū)都存在較大的速度梯度或應(yīng)變變化率,具有較高的耗散值,均為能量損失的主要來源區(qū)。邊界層內(nèi)的回流區(qū)速度梯度較小,僅為低速流體的聚集區(qū),而非損失來源區(qū)。來流攻角主要影響葉柵吸力面前部以及壓力面?zhèn)攘鲌鰠?shù)的分布,從正攻角+7.8?向負(fù)攻角-10?變化的過程中,吸力面前緣分離泡逐漸消失,葉柵負(fù)荷降低;當(dāng)攻角為-5?時(shí),壓力面?zhèn)冗吔鐚娱_始出現(xiàn)分離;攻角為-10?的工況中壓力面時(shí)均分離泡長度約為39%倍軸向弦長。在較大負(fù)攻角條件下,壓力面?zhèn)冗吔鐚釉谇熬壐浇砥鸫蟪叨日瓜驕u,并向下游發(fā)展,展向渦演化為反向旋轉(zhuǎn)的流向渦對后,邊界層外緣的高能流體不斷被卷吸到近壁區(qū),這增加了近壁區(qū)流體的動量,使得邊界層在壓力面中部形成再附,流向渦持續(xù)發(fā)展至葉柵尾緣附近,并流出流道。雷諾數(shù)條件對渦輪葉柵流場的影響主要體現(xiàn)在吸力面后部。隨著雷諾數(shù)的升高,吸力面前緣分離泡存在時(shí)間及尺寸均增加,分離剪切層開始卷起展向渦的位置和轉(zhuǎn)捩起始位置提前,但吸力面后部邊界層分離點(diǎn)向下游移動,分離泡尺寸縮短。當(dāng)雷諾數(shù)增加至2.0?105時(shí),剪切層不會卷起占據(jù)整個(gè)展向?qū)挾鹊恼瓜驕u,而是在近壁區(qū)直接形成大量小尺度結(jié)構(gòu),使邊界層內(nèi)流體的脈動和湍流強(qiáng)度增加,并加速完成轉(zhuǎn)捩過程。從耗散函數(shù)的角度來看,高雷諾數(shù)條件下,吸力面后部的高耗散區(qū)更靠近葉柵表面,并且由于湍流度的增加使其分布更加混亂,但葉柵尾跡內(nèi)高耗散區(qū)寬度變窄,出口總壓損失減小。周期性來流尾跡的存在,使葉柵進(jìn)口截面主要發(fā)生了兩方面的變化,一是增加了來流湍流度,二是氣流以更接近零攻角的方向沖擊前緣。這兩個(gè)因素共同作用下,吸力面前緣分離泡消失。隨著折合頻率的增加,吸力面后部的雷諾應(yīng)力和湍動能峰值更靠近壁面,邊界層分離現(xiàn)象受抑制程度更大。壁面切應(yīng)力時(shí)空圖中出現(xiàn)了“孤島”現(xiàn)象,即尾跡與邊界層相互作用時(shí),分離現(xiàn)象明顯減弱甚至完全消失;而在尾跡通過的間隙階段,與無尾跡情況類似,K-H不穩(wěn)定性會主導(dǎo)轉(zhuǎn)捩過程。在來流尾跡作用下,吸力面后部及葉柵尾跡區(qū)的耗散有所減小,但主流區(qū)耗散增加,并成為損失的主要來源之一。存在最佳的尾跡折合頻率,使渦輪氣動性能達(dá)到最優(yōu),過高的折合頻率會導(dǎo)致出口損失增加。
【關(guān)鍵詞】：低壓渦輪 大渦模擬 來流攻角 雷諾數(shù) 周期性尾跡 邊界層分離
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V231
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-9
• 符號表9-17
• 第1章 緒論17-46
• 1.1 課題來源17
• 1.2 研究的目的和意義17-19
• 1.3 邊界層的分離與轉(zhuǎn)捩19-29
• 1.3.1 附著邊界層的轉(zhuǎn)捩機(jī)理20-23
• 1.3.2 湍流斑的形成及演化過程23-25
• 1.3.3 層流邊界層的分離及轉(zhuǎn)捩25-29
• 1.4 低壓渦輪內(nèi)部的非定常流動29-41
• 1.4.1 低壓渦輪非定常氣動環(huán)境29-30
• 1.4.2 低壓渦輪流動損失30-32
• 1.4.3 非定常尾跡與下游葉片的相互作用32-37
• 1.4.4 低雷諾數(shù)低壓渦輪研究進(jìn)展37-41
• 1.5 大渦模擬研究現(xiàn)狀41-44
• 1.5.1 大渦模擬的基本思想42
• 1.5.2 大渦模擬的發(fā)展歷程42-44
• 1.6 本文的主要研究內(nèi)容44-46
• 第2章 大渦模擬控制方程組及數(shù)值計(jì)算方法46-73
• 2.1 N-S方程組的濾波46-50
• 2.1.1 相對坐標(biāo)系下方程組的無量綱化46-48
• 2.1.2 方程組的濾波48-50
• 2.2 動量方程的亞格子模型50-54
• 2.2.1 Smagorinsky模型50-51
• 2.2.2 動力渦粘模型51-53
• 2.2.3 濾波運(yùn)算53-54
• 2.3 能量方程的亞格子模型54-55
• 2.4 大渦模擬控制方程組的表達(dá)形式55-57
• 2.5 控制方程組的空間離散57-62
• 2.5.1 對流通量離散58-61
• 2.5.2 粘性通量離散61-62
• 2.6 控制方程組的時(shí)間推進(jìn)62
• 2.7 邊界條件設(shè)定與并行策略62-67
• 2.7.1 亞音進(jìn)口條件的設(shè)定63
• 2.7.2 亞音出口條件的設(shè)定63-64
• 2.7.3 固體壁面64-65
• 2.7.4 周期性邊界65
• 2.7.5 動、靜計(jì)算域交界面的處理方法65-67
• 2.7.6 并行策略67
• 2.8 計(jì)算及后處理中某些問題的說明67-70
• 2.8.1 控制體體積求解方法67-68
• 2.8.2 來流湍流度的設(shè)置方法68-70
• 2.8.3 擬序結(jié)構(gòu)識別方法70
• 2.9 LES程序的計(jì)算流程70-72
• 2.10 本章小結(jié)72-73
• 第3章 圓柱繞流及平板層流轉(zhuǎn)捩流動的研究73-90
• 3.1 單、雙圓柱繞流的非定常流場分析73-84
• 3.1.1 單圓柱擾流算例說明73-75
• 3.1.2 時(shí)均結(jié)果驗(yàn)證及瞬態(tài)流場分析75-80
• 3.1.3 并列圓柱繞流算例說明80-81
• 3.1.4 不同間距下圓柱下游流場的對比81-84
• 3.2 逆壓梯度條件下平板層流邊界層的分離轉(zhuǎn)捩84-89
• 3.2.1 算例說明84-85
• 3.2.2 平板邊界層演化過程分析85-89
• 3.3 本章小結(jié)89-90
• 第4章 定常來流條件下低壓渦輪葉柵流場的演化特性90-120
• 4.1 計(jì)算對象說明90-91
• 4.2 流場特性分析91-105
• 4.2.1 計(jì)算條件說明91-92
• 4.2.2 與實(shí)驗(yàn)及DNS結(jié)果的對比驗(yàn)證92-94
• 4.2.3 時(shí)均流場分析94-97
• 4.2.4 雷諾應(yīng)力97-98
• 4.2.5 吸力面邊界層演化機(jī)理分析98-105
• 4.3 不同來流攻角下渦輪葉柵流場的大渦模擬105-113
• 4.3.1 計(jì)算工況說明105-106
• 4.3.2 葉柵表面及近壁區(qū)流場參數(shù)的對比106-109
• 4.3.3 負(fù)攻角時(shí)壓力面邊界層演化過程109-113
• 4.4 不同雷諾數(shù)下渦輪葉柵流場的大渦模擬113-118
• 4.4.1 計(jì)算工況說明113
• 4.4.2 時(shí)均流場參數(shù)對比113-116
• 4.4.3 吸力面邊界層演化過程的對比116-118
• 4.5 本章小結(jié)118-120
• 第5章 周期性尾跡對低壓渦輪葉柵流場的影響120-141
• 5.1 計(jì)算方案120-121
• 5.2 時(shí)均流場對比121-129
• 5.2.1 時(shí)均參數(shù)及氣動性能對比121-124
• 5.2.2 雷諾應(yīng)力及湍動能的分布124-129
• 5.3 尾跡對吸力面邊界層的作用機(jī)理129-137
• 5.3.1 來流尾跡在葉柵通道中的輸運(yùn)過程129-133
• 5.3.2 吸力面邊界層的演化規(guī)律133-137
• 5.4 尾跡對葉柵氣動損失的影響137-140
• 5.5 本章小結(jié)140-141
• 結(jié)論141-144
• 參考文獻(xiàn)144-161
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果161-163
• 致謝163-164
• 個(gè)人簡歷164

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本文編號：1038602