本文關(guān)鍵詞：高壓渦輪尾跡渦街特性數(shù)值模擬研究

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【摘要】：在航空發(fā)動機中,渦輪內(nèi)部上游的尾跡會對下游葉片的流動狀況產(chǎn)生明顯的影響,理解尾跡中的流動參數(shù)分布對渦輪設計至關(guān)重要,而當高壓渦輪尾緣附近出現(xiàn)激波和冷氣時,會使得此時的尾跡流動變得更為復雜。本文試圖基于uRANS對高壓渦輪的尾跡特性展開數(shù)值模擬研究。采用作者白行開發(fā)的三維可壓縮Navier-Stokes方程求解器3D-Fluid對所研究的問題進行求解,該求解器基于任意曲線坐標系下的有限體積法,能夠進行定常和非定常的計算。程序的主要特點如下：基于多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)據(jù)和邊界條件采用CGNS格式進行描述,對流項的離散包括二階中心格式、4階偏斜對稱中心格式以及多種迎風格式,通量計算格式包括Roe、 HLLC、AUSM+等,粘性項計算采用了二階中心差分格式,時間推進方法包括Runge-Kutta法和LU-SGS法,求解器可以進行RANS、PANS和LES計算。在RANS模型中包括BL、Wilcox k-ω(2006)、RSM-ω三種湍流模型,PANS模型基于k-ω模型,LES計算則采用動力渦粘模型。求解器目前經(jīng)過多個經(jīng)典算例的校核,結(jié)果表明程序具有較寬的適用范圍,并且具有對復雜問題的模擬能力。基于3D-Fluid,對VKI的某高壓渦輪導葉葉型進行了RANS和uRANS兩方面的數(shù)值仿真,與實驗結(jié)果對比分析發(fā)現(xiàn),RANS雖然能較好的刻畫葉片表面的壓力分布以及尾跡的平均特性,但對尾跡的動力學特性完全無法描述。uRANS的結(jié)果顯示尾緣處的邊界層離開葉片尾緣的流動呈現(xiàn)出明顯的鈍體繞流特性,此時將會觀察到非定常脫落渦——卡門渦街,該渦街結(jié)構(gòu)將會顯著的影響尾緣的基底壓力分布和尾跡的能量分布,同時渦街所影響的區(qū)域也不局限于尾跡,實驗和計算都表明葉片尾緣的壓力分布具有明顯的周期性變化。本文研究了各種數(shù)值方法對計算結(jié)果的影響,得到主要結(jié)論如下：湍流模型選取極大影響了計算所得的尾緣壓力分布,主要是由各湍流模型對尾跡的刻畫不同所造成的；選用不同差分格式對計算結(jié)果影響較好,采用高精度的FDM計算所得結(jié)果與二階精度的FVM相差不多；時間步長的選取非定重要,減小時間步長有利改善結(jié)果,但當時間步長減小到一定程度后,計算結(jié)果不再變化。通過改型,本文研究了不同尾緣結(jié)構(gòu)對尾跡流動的影響,結(jié)果表明,采用橢圓形的尾緣有利于提高基底壓力,減小尾跡摻混損失,但并非橢圓度越高,摻混損失越小,減小尾緣厚度會大大地降低尾跡摻混損失。尾跡渦街的生成與尾緣邊界層的狀態(tài)密切相關(guān),可以通過改變吸力側(cè)后段型線來控制尾緣附近的邊界層狀態(tài),從而控制尾跡渦街的生成。本文還對考慮非定常效應時葉型損失隨出口等熵Mach數(shù)的變化情況進行了研究,結(jié)果表面,當尾跡渦街強度較大時,RANS預估損失與uRANS預估得到的激波損失和尾跡摻混損失均有較大區(qū)別,這主要是由于兩者預估得到的尾緣壓力分布存在著較大的差別。
【關(guān)鍵詞】：高壓渦輪 尾跡 渦街 CFD uRANS
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：V231
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-21
• 1.1 課題背景及研究的目的和意義11
• 1.2 葉輪機械數(shù)值模擬方法介紹11-12
• 1.3 研究問題介紹12-19
• 1.3.1 有研究介紹14-16
• 1.3.2 尾跡渦街流動特性介紹16-19
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容19-21
• 第2章 控制方程21-27
• 2.1 可壓縮NS方程21-22
• 2.2 任意曲線坐標系下NS方程22-24
• 2.3 Favre平均NS方程24-27
• 第3章 數(shù)值算法介紹27-44
• 3.1 網(wǎng)格Jacobian系數(shù)計算27-28
• 3.1.1 矩陣系數(shù)與網(wǎng)格幾何量之間的關(guān)系28
• 3.2 時間推進方法介紹28-34
• 3.2.1 LU-SGS29-32
• 3.2.2 時間步長法32-33
• 3.2.3 CFL條件和時間步長的選取33-34
• 3.3 空間推進方法介紹34-37
• 3.3.1 對流項計算34-37
• 3.3.2 粘性通量計算37
• 3.4 定解條件37-40
• 3.4.1 內(nèi)流進出口38-39
• 3.4.2 絕熱等溫壁面39
• 3.4.3 周期性邊界39-40
• 3.4.4 初始條件40
• 3.5 湍流模型40-43
• 3.5.1 Wilcox k-ω(2006)湍流模型40-41
• 3.5.2 湍流方程離散方法41-42
• 3.5.3 湍流邊界條件42-43
• 3.6 本章小結(jié)43-44
• 第4章 數(shù)值方法驗證及流場非定常特性分析44-69
• 4.1 對照實驗說明44-45
• 4.2 計算設置45-48
• 4.3 數(shù)值方法對計算結(jié)果的影響分析48-63
• 4.3.1 RANS計算結(jié)果與實驗對比48-49
• 4.3.2 uRANS計算數(shù)值算法影響研究49-62
• 4.3.3 數(shù)值方法影響綜合分析62-63
• 4.4 流場非定常特性分析63-67
• 4.4.1 尾跡渦街形成過程分析63
• 4.4.2 葉片表面壓力波動63-67
• 4.4.3 Eckert-Weise效應67
• 4.5 本章小結(jié)67-69
• 第5章 尾緣幾何形狀對尾跡渦街特性的影響研究69-81
• 5.1 引言69-70
• 5.2 尾緣形狀的影響研究70-73
• 5.3 尾緣厚度的影響研究73-79
• 5.4 本章小結(jié)79-81
• 第6章 損失分析81-91
• 6.1 引言81
• 6.2 葉柵內(nèi)各損失拆分方法介紹81-84
• 6.2.1 邊界層損失計算82-83
• 6.2.2 激波損失計算83
• 6.2.3 尾跡摻混損失計算83-84
• 6.3 葉型損失隨出口Ma_(is)的變化規(guī)律研究84-90
• 6.3.1 激波損失隨出口Ma_(is)的變化規(guī)律84-85
• 6.3.2 邊界層損失隨出口Ma_(is)的變化規(guī)律85-87
• 6.3.3 尾跡摻混損失隨出口Ma_(is)的變化規(guī)律87-90
• 6.4 本章小結(jié)90-91
• 結(jié)論91
• 創(chuàng)新點91-92
• 展望92-93
• 參考文獻93-98
• 附錄A 3D-Fluid計算流程98-99
• 附錄B 網(wǎng)格數(shù)據(jù)文件描述99-101
• 附錄C 無黏通量Jacobian系數(shù)矩陣101-103
• 攻讀碩士學位期間發(fā)表的論文及其它成果103-105
• 致謝105-106
• 個人簡歷106

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本文編號：734820