【摘要】：隨著航空推進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展渦輪葉片載荷逐漸增大,導(dǎo)致端部二次流動(dòng)損失的占比顯著增加,因此有效的降低端部二次流動(dòng)損失是提高渦輪效率的關(guān)鍵所在。非軸對(duì)稱端壁技術(shù)通過(guò)重新組織端部二次流動(dòng)結(jié)構(gòu),可以有效的抑制二次流相關(guān)損失,在實(shí)際中已經(jīng)得到應(yīng)用。然而目前對(duì)于端壁造型改變流動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)而影響損失來(lái)源的相關(guān)機(jī)制認(rèn)識(shí)不夠深入,需要對(duì)端部主要漩渦結(jié)構(gòu)與不可逆損失來(lái)源之間的關(guān)系展開(kāi)細(xì)致分析。此外,由于緣板間隙貫穿于整個(gè)通道端壁,間隙流動(dòng)對(duì)端部流動(dòng)結(jié)構(gòu)及損失均會(huì)產(chǎn)生直接的影響。加上通流設(shè)計(jì)開(kāi)始朝著更為精細(xì)化的設(shè)計(jì)方向發(fā)展,所以在非軸對(duì)稱端壁設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮緣板間隙結(jié)構(gòu)的影響,以此來(lái)提高非軸對(duì)稱端壁在實(shí)際應(yīng)用中的效果。本文以低速大尺寸渦輪葉柵為研究對(duì)象,對(duì)其端壁進(jìn)行非軸對(duì)稱造型優(yōu)化設(shè)計(jì)。以實(shí)驗(yàn)結(jié)合數(shù)值方法為手段對(duì)非軸對(duì)稱端壁的減損機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)研究,并進(jìn)一步計(jì)及緣板間隙對(duì)非軸對(duì)稱端壁減損效果的影響。主要內(nèi)容包括:1.非軸對(duì)稱端壁優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用基于代理模型的優(yōu)化算法,以出口截面上平均總壓損失系數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)。在周向選取正弦曲線函數(shù),軸向選取樣條曲線函數(shù),通過(guò)周向與軸向控制函數(shù)相乘的方法實(shí)現(xiàn)非軸對(duì)稱端壁參數(shù)化。開(kāi)發(fā)針對(duì)CGNS文件的網(wǎng)格編輯程序,提高優(yōu)化過(guò)程中網(wǎng)格生成精度和效率,成功地優(yōu)化設(shè)計(jì)得到非軸對(duì)稱端壁。2.分析非軸對(duì)稱端壁抑制二次流動(dòng)以及減少相關(guān)損失的機(jī)理。采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,比較了優(yōu)化得到的非軸對(duì)稱端壁與原型平面端壁下葉柵氣動(dòng)性能。分析了通道內(nèi)部漩渦結(jié)構(gòu)及發(fā)展規(guī)律,對(duì)比了內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)和損失分布,研究了通道內(nèi)部漩渦結(jié)構(gòu)和漩渦相互作用與不可逆損失源之間的關(guān)系,揭示了非軸對(duì)稱端壁設(shè)計(jì)的減損機(jī)理。3.研究緣板間隙流的影響。研究了緣板間隙以及不同間隙凈流量對(duì)端部二次流結(jié)構(gòu)的影響,分析了不同間隙凈流量下通道內(nèi)部損失源的變化,解釋了間隙流對(duì)非軸對(duì)稱端壁減損效果的影響機(jī)制。4.非軸對(duì)稱端壁優(yōu)化設(shè)計(jì)中計(jì)及緣板間隙的影響。將緣板間隙結(jié)構(gòu)加入到非軸對(duì)稱端壁優(yōu)化設(shè)計(jì)中,在給定間隙凈流量條件下對(duì)非軸對(duì)稱端壁進(jìn)行新的優(yōu)化設(shè)計(jì),對(duì)比原型端壁和兩種設(shè)計(jì)端壁通道中損失源分布,分析新設(shè)計(jì)的非軸對(duì)稱端壁的減損機(jī)理。
【圖文】：

同時(shí)還發(fā)現(xiàn)了在馬蹄渦兩個(gè)分支在靠近吸力面位置誘導(dǎo)出兩個(gè)新的漩渦。而Goldstein 和 Spores[35]在 1988 年運(yùn)用了傳質(zhì)方法對(duì)端部流動(dòng)進(jìn)行了研究，認(rèn)為馬蹄渦吸力面分支應(yīng)該保持在通道渦上方與通道渦一起向下游傳播。Moon[36]在 2001 年提出的渦結(jié)構(gòu)模型同樣認(rèn)為馬蹄渦吸力面分支進(jìn)入通道后沿著通道渦上方向下游發(fā)展。圖 1-3 Langston 端部二次流模型[31]圖 1-4 Sieverding 和 Vandene Bosch 模型[33]Fig. 1-3 Model of secondary flow fromLangston[31]Fig. 1-4 Model of secondary flow fromSieverding and Vandene Bosch[33]

除了馬蹄渦兩分支以及通道渦以外，通道內(nèi)部還會(huì)產(chǎn)生出現(xiàn)的壁面誘導(dǎo)渦。馬蹄渦吸力面分支在繞過(guò)前緣進(jìn)入，在橫向壓力梯度下很難維持，相比壓力面?zhèn)确种且惠^難通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)觀察到，故不排除以上部分研究可能將渦吸力面分支混淆，從而得出馬蹄渦吸力面分支相對(duì)靜的結(jié)論，因?yàn)檫@兩個(gè)位置分別就是壁面誘導(dǎo)渦和角渦所Wang[37]采用激光平面煙線流場(chǎng)顯示技術(shù)對(duì)葉柵入口到出十分細(xì)致的觀測(cè)，，結(jié)合已有的模型研究提出一個(gè)十分全模型。該模型進(jìn)口為馬蹄渦多渦結(jié)構(gòu)，進(jìn)入通道后逐步支為主導(dǎo)的渦系結(jié)構(gòu)。作者在實(shí)驗(yàn)中觀察到了馬蹄渦吸，并且在馬蹄渦兩個(gè)分支與壁面交界處誘發(fā)出新的渦對(duì)渦在通道渦的驅(qū)動(dòng)下在下游逐步變強(qiáng)，沿著通道渦上方。Wang 將這個(gè)渦稱為壁面誘導(dǎo)渦，這與 Sonoda 模型中是一致的, 另外在角區(qū)也誘導(dǎo)出尺度很小角渦。同時(shí) W渦多渦系結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的非定常性。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：V231

【參考文獻(xiàn)】

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1 劉亞非;毛軍逵;徐瑞;趙尊盛;賀宜紅;李維;;渦輪導(dǎo)向器緣板安裝縫隙泄漏特性數(shù)值模擬[J];航空動(dòng)力學(xué)報(bào);2015年06期

2 韓悅;林智榮;袁新;;多級(jí)軸流透平通流三維氣動(dòng)優(yōu)化研究[J];熱力透平;2014年01期

3 趙剛劍;劉波;那振U

本文編號(hào)：2710367