本文關(guān)鍵詞：渦輪高效冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及換熱機(jī)理研究

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【摘要】：燃?xì)鉁u輪作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心機(jī)重要部件之一,其性能優(yōu)劣直接影響航空發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性及經(jīng)濟(jì)性。為了追求航空發(fā)動(dòng)機(jī)高推重比及高效率,燃?xì)鉁u輪入口溫度逐漸攀升,迫切地需要在燃?xì)鉁u輪氣動(dòng)及傳熱技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)突破。本文著眼于高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫渦輪葉片的傳熱機(jī)理及設(shè)計(jì)方法,依靠自編程序搭建渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平臺(tái)及氣熱耦合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法;借助數(shù)值模擬方法研究了典型渦輪葉片外壁面及端壁換熱特性及典型冷卻結(jié)構(gòu)單元內(nèi)部流動(dòng)換熱機(jī)理。搭建了高溫渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)平臺(tái),該平臺(tái)能夠快速實(shí)現(xiàn)冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并評(píng)估冷卻結(jié)構(gòu)冷卻性能;依據(jù)該平臺(tái)完成了高溫渦輪葉片不帶氣膜及帶氣膜兩套冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)結(jié)果表明該平臺(tái)能夠滿足方案設(shè)計(jì)要求,且有效的避免設(shè)計(jì)過(guò)程中的盲目性,提高設(shè)計(jì)靈活性。搭建了考慮葉型及冷卻結(jié)構(gòu)的氣熱耦合優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái),提出了能夠同時(shí)考慮最高溫度、平均溫度、高溫區(qū)面積、流阻系數(shù)及氣動(dòng)效率的目標(biāo)函數(shù),采用該優(yōu)化策略尋優(yōu)到氣動(dòng)及傳熱效果均較佳的方案。對(duì)比了整級(jí)優(yōu)化以及靜葉、動(dòng)葉單獨(dú)優(yōu)化,發(fā)現(xiàn)采用靜葉、動(dòng)葉單獨(dú)優(yōu)化較整級(jí)優(yōu)化的優(yōu)化效率有所提高。此外,依靠本文平臺(tái)對(duì)冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及氣熱耦合優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)采用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)與新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)冷卻的需求差距較大。本文對(duì)典型渦輪葉片外壁面換熱特性進(jìn)行研究,數(shù)值結(jié)果表明馬赫數(shù)對(duì)渦輪葉片轉(zhuǎn)捩影響不大;湍流度、湍流尺度及表面粗糙度的增大使轉(zhuǎn)捩提前發(fā)生,并改變吸力面的壓力凸起,表明吸力面轉(zhuǎn)捩由分離導(dǎo)致轉(zhuǎn)捩轉(zhuǎn)變?yōu)榕酝ㄞD(zhuǎn)捩。研究了彎葉片對(duì)典型渦輪不同工況端壁流動(dòng)換熱影響機(jī)制,發(fā)現(xiàn)彎葉片影響橫向二次流并在非設(shè)計(jì)工況下使吸力面旋渦貼近葉片壁面運(yùn)動(dòng)、降低旋渦尺度從而降低端壁換熱。彎葉片也可使前緣滯止點(diǎn)移動(dòng)至壓力面附近,減小了端壁熱負(fù)荷。本文通過(guò)研究層板結(jié)構(gòu)擾流柱參數(shù)對(duì)換熱的影響,得出了擾流柱排布改變綜合換熱性能的機(jī)制,并給出最佳擾流柱結(jié)構(gòu)形式。在高溫渦輪葉片典型層板、雙層壁冷卻單元添加了凹坑結(jié)構(gòu),數(shù)值結(jié)果表明,合理地添加凹坑結(jié)構(gòu)能夠在保證流阻系數(shù)變化不大的情況下顯著增大沖擊靶面換熱,進(jìn)而減小外壁面溫度。然而,過(guò)深或者過(guò)大的凹坑將會(huì)急劇降低沖擊靶面換熱。本文研究了高溫渦輪葉片尾緣收斂通道凹坑-擾流柱換熱提升機(jī)制,數(shù)值結(jié)果表明,凹坑添加后導(dǎo)致收斂通道流體沖擊凹坑內(nèi)下游壁面,流體流出凹坑后再附并與擾流柱前緣區(qū)域旋渦發(fā)生相互作用,從而增大了當(dāng)?shù)負(fù)Q熱。此外,凹坑橫向布置于擾流柱之間能夠在增大換熱的同時(shí),增大流動(dòng)面積從而減小流阻。而后針對(duì)收斂通道收斂角及凹坑深度對(duì)換熱特性的影響發(fā)現(xiàn),在大收斂角情況下,最佳凹坑深度比小收斂角情況下的最佳凹坑深度小,文中也給出了綜合換熱性能最佳的凹坑參數(shù)。
【關(guān)鍵詞】：航空發(fā)動(dòng)機(jī) 高溫渦輪 外部傳熱 內(nèi)部傳熱 設(shè)計(jì)優(yōu)化方法
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：V235.1
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 符號(hào)表14-16
• 第1章 緒論16-39
• 1.1 課題研究的背景及意義16-19
• 1.2 冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)19-21
• 1.3 高效冷卻結(jié)構(gòu)的作用機(jī)制21-33
• 1.3.1 外部換熱23-26
• 1.3.2 前緣雙層壁區(qū)域換熱26-28
• 1.3.3 葉片弦長(zhǎng)中部區(qū)域換熱28-29
• 1.3.4 尾緣區(qū)域換熱29-32
• 1.3.5 高效冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)32-33
• 1.4 傳熱與氣動(dòng)耦合優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)制33-36
• 1.4.1 氣動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)展33-35
• 1.4.2 渦輪氣動(dòng)傳熱協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)發(fā)展35-36
• 1.5 本文主要研究目的及內(nèi)容36-39
• 第2章 冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析方法及驗(yàn)證39-66
• 2.1 引言39
• 2.2 管網(wǎng)設(shè)計(jì)分析方法39-47
• 2.2.1 控制方程39-43
• 2.2.2 節(jié)點(diǎn)控制方程43
• 2.2.3 管網(wǎng)計(jì)算的求解方法43-44
• 2.2.4 平臺(tái)搭建44-47
• 2.3 三維計(jì)算分析方法47-60
• 2.3.1 控制方程47-48
• 2.3.2 湍流模型48-50
• 2.3.3 氣動(dòng)及傳熱網(wǎng)格生成方法及收斂性研究50-60
• 2.4 計(jì)算及分析方法驗(yàn)證60-65
• 2.4.1 渦輪端壁計(jì)算方法驗(yàn)證60-62
• 2.4.2 渦輪外壁面換熱數(shù)值驗(yàn)證62-63
• 2.4.3 渦輪沖擊換熱數(shù)值驗(yàn)證63-64
• 2.4.4 尾緣區(qū)域換熱數(shù)值驗(yàn)證64-65
• 2.5 本章小結(jié)65-66
• 第3章 渦輪高效冷卻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究66-100
• 3.1 引言66
• 3.2 冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究66-84
• 3.2.1 不帶氣膜孔冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)66-75
• 3.2.2 帶氣膜孔冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)75-84
• 3.3 氣熱耦合優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究84-98
• 3.3.1 靜葉冷卻結(jié)構(gòu)及葉型氣熱耦合優(yōu)化84-88
• 3.3.2 動(dòng)葉冷卻結(jié)構(gòu)及葉型氣熱耦合優(yōu)化88-93
• 3.3.3 整級(jí)冷卻結(jié)構(gòu)及葉型氣熱耦合優(yōu)化93-98
• 3.3.4 冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法換熱能力提升評(píng)估98
• 3.4 本章小結(jié)98-100
• 第4章 渦輪葉片外壁面及端壁流動(dòng)換熱機(jī)理研究100-115
• 4.1 引言100
• 4.2 不同進(jìn)口參數(shù)對(duì)外壁面換熱特性影響100-106
• 4.2.1 物理模型及研究方案100-102
• 4.2.2 進(jìn)口雷諾數(shù)影響102-103
• 4.2.3 進(jìn)口湍流度影響103-104
• 4.2.4 進(jìn)口湍流尺度影響104-105
• 4.2.5 進(jìn)口馬赫數(shù)影響105
• 4.2.6 粗糙度影響105-106
• 4.3 不同工況下彎葉片對(duì)渦輪端壁換熱及氣動(dòng)的影響106-113
• 4.3.1 問(wèn)題提出106-107
• 4.3.2 物理模型及研究方案107-108
• 4.3.3 一維數(shù)據(jù)分析108-109
• 4.3.4 彎葉片對(duì)傳熱的影響109-113
• 4.3.5 彎葉片對(duì)氣動(dòng)的影響113
• 4.4 本章小結(jié)113-115
• 第5章 渦輪內(nèi)部層板及雙層壁結(jié)構(gòu)換熱機(jī)理115-149
• 5.1 引言115
• 5.2 帶擾流柱層板冷卻結(jié)構(gòu)中擾流柱參數(shù)對(duì)換熱的影響115-126
• 5.2.1 研究方法以及目的115-116
• 5.2.2 物理模型116-117
• 5.2.3 計(jì)算邊界條件及網(wǎng)格生成117
• 5.2.4 數(shù)據(jù)處理117-118
• 5.2.5 結(jié)果分析118-126
• 5.3 帶擾流柱層板結(jié)構(gòu)換熱提升方法126-137
• 5.3.1 研究方法以及目的126
• 5.3.2 物理模型以及方案設(shè)計(jì)126-127
• 5.3.3 結(jié)果分析127-137
• 5.4 前緣雙層壁強(qiáng)化換熱研究137-148
• 5.4.1 研究方法以及目的137
• 5.4.2 物理模型137-139
• 5.4.3 結(jié)果及分析139-148
• 5.5 本章小結(jié)148-149
• 第6章 凹坑結(jié)構(gòu)對(duì)渦輪尾緣換熱強(qiáng)化的機(jī)理研究149-172
• 6.1 引言149
• 6.2 凹坑位置對(duì)尾緣帶柱冷卻結(jié)構(gòu)流動(dòng)換熱影響149-160
• 6.2.1 問(wèn)題提出及物理模型149-151
• 6.2.2 數(shù)據(jù)處理151-152
• 6.2.3 初始分析152-153
• 6.2.4 流場(chǎng)分析153-157
• 6.2.5 換熱及流阻分析157-159
• 6.2.6 綜合換熱效果159-160
• 6.3 不同凹坑深度以及不同收斂角度對(duì)流動(dòng)換熱影響160-170
• 6.3.1 問(wèn)題提出及物理模型160-161
• 6.3.2 流場(chǎng)分析161-163
• 6.3.3 收斂角度影響163-166
• 6.3.4 凹坑深度影響166-169
• 6.3.5 綜合換熱效果169-170
• 6.4 本章小結(jié)170-172
• 結(jié)論172-174
• 參考文獻(xiàn)174-191
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文191-195
• 致謝195-196
• 個(gè)人簡(jiǎn)歷196

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本文編號(hào)：936096