本文關(guān)鍵詞：管網(wǎng)氣熱耦合算法在渦輪葉片復(fù)合冷卻數(shù)值模擬上的研究　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：燃氣輪機與國家能源工業(yè)、航空工業(yè)息息相關(guān),為了提升其性能就得提高渦輪葉片的承受溫度。如何合理地進行葉片的換熱計算是燃氣輪機研發(fā)設(shè)計的關(guān)鍵問題之一。先進的冷卻結(jié)構(gòu)可以最大程度地利用冷卻空氣。在保證燃氣輪機運行效率和功率輸出的前提條件下,多種換熱元件搭配出的復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu),使冷卻空氣分配到需要防護的部位,綜合各種冷卻技術(shù)產(chǎn)生全局較優(yōu)的冷卻效果。隨著計算機技術(shù)和流體力學(xué)仿真技術(shù)的發(fā)展,很多機構(gòu)都投入人力和物力研究復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)的建模和數(shù)值模擬方法。為反映渦輪葉片冷卻通道中流動工質(zhì)參數(shù)分布情況,指導(dǎo)冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計,本文從一維流動原理的研究出發(fā),開發(fā)出一套適用于計算冷卻流路的管網(wǎng)算法。本文編寫的求解部分囊括了很多換熱元件的流阻與換熱特性計算,壓力求解和溫度求解交替進行。與構(gòu)建管網(wǎng)模型的前處理程序一道,形成特有的解決方案。采用文獻中U型帶肋通道的換熱試驗驗證了管網(wǎng)程序的可行性,獲取的各段平均參數(shù)與試驗結(jié)果趨勢一致。在此基礎(chǔ)上,調(diào)用外流場計算程序,對葉片壁面劃分出橫向和縱向的單元,通過耦合插值程序在每個交接面單元建立內(nèi)外流場上的聯(lián)系,形成耦合算法。本文選用C3X葉片的換熱試驗,對耦合算法進行了驗證。通過驗證表明,葉壁溫度和換熱系數(shù)皆與試驗測值有基本一致的分布趨勢,最高溫度出現(xiàn)區(qū)域符合預(yù)期。對比商用軟件CFX的仿真結(jié)果,可知管網(wǎng)耦合程序能可靠地獲取氣冷葉片的冷卻效果,需要防護的部位能準(zhǔn)確預(yù)估,但是計算耗時和對電腦硬件資源占用量都比CFX少很多。引入?yún)?shù)化建模原理,編寫了適合復(fù)雜冷卻結(jié)構(gòu)幾何更新程序。結(jié)合管網(wǎng)耦合方法快速預(yù)估冷卻結(jié)構(gòu)換熱效果的特點,統(tǒng)一調(diào)配參數(shù)化建模和前、后處理等模塊的數(shù)據(jù)傳遞,構(gòu)建起可進行方案設(shè)計和具體結(jié)構(gòu)設(shè)計的HIT3D-Coolnet設(shè)計平臺。在參考葉型的基礎(chǔ)上,設(shè)計出沖擊孔—雙層壁—氣膜復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)。為探究這種復(fù)合冷卻宜采用哪種合適的構(gòu)架,本文將基于管網(wǎng)耦合計算平臺的方案設(shè)計應(yīng)用于幾種不同的進氣方式和出流方式冷卻方案。管網(wǎng)耦合程序計算了幾種方案的內(nèi)部流場、溫度場,從所獲葉片外壁溫度分布圖以及溫度計算值的對比可知,第二種雙層壁方案的平均溫度最低,冷卻效果相對較好,故作為初選方案。在吸力面雙層壁窄通道對應(yīng)的壁面位置降溫效果非常顯著,尤其是該側(cè)氣膜孔出口附近,出現(xiàn)整個葉壁最低溫度。CFX的詳細三維仿真結(jié)果顯示,沖擊射流在窄腔內(nèi)的擴散形成扁平的橢圓旋渦。高旋度的冷氣擾動使腔內(nèi)壁的熱量迅速被帶走。圍繞腔壁的貼壁流線被卷吸返回至旋渦核心區(qū),發(fā)生劇烈的熱交換。吸力側(cè)氣膜孔的后方也發(fā)展出渦旋結(jié)構(gòu)。吸收腔壁的熱量通過卷繞傳遞給上涌流,從孔口出流帶至葉片外,使腔內(nèi)保持較低溫度。但是初選方案還存在著壓力面氣膜孔燃氣倒灌,后段局部溫度偏高,溫度梯度較大的問題。因此在溫度場和流場的分析結(jié)果上,提出幾個改進措施來完善設(shè)計。改型設(shè)計彌補了所選方案的缺陷,將雙層壁復(fù)合結(jié)構(gòu)的冷卻性能在葉片兩側(cè)都得以發(fā)揮。壓力側(cè)氣膜孔順利出流,使冷卻空氣防護到該側(cè)后方區(qū)域,顯著降低了尾部局部高溫。為了研究管網(wǎng)耦合算法在工程上的應(yīng)用,選取具有內(nèi)部復(fù)合冷卻結(jié)構(gòu)某型高壓動葉做模擬計算。基于原型的改型結(jié)構(gòu)增大下部彎頭半徑,并在后部通道間添加貫通孔。采用參數(shù)化的建模手段,依托HIT3D-Coolnet設(shè)計平臺中可調(diào)的、快速更新的幾何造型模塊,重構(gòu)葉片腔體模型。帶肋通道的肋高、肋傾角,沖擊冷卻的沖擊孔徑、沖擊距離,氣膜冷卻的孔徑、等作為換熱元件特征參數(shù),控制葉片內(nèi)部氣冷結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確構(gòu)建。相比高壓動葉的原型,彎頭的改進使得后部葉根的局部高溫顯著削弱,結(jié)合貫通孔的引入,葉片后部的高溫區(qū)向后收縮。貫通孔為尾緣通道帶來橫向的補氣,經(jīng)由尾縫流出,增強了劈縫出口局部換熱。基于管網(wǎng)耦合方法的設(shè)計平臺提供接口連接iSiGHT-FD,后者調(diào)用平臺上的各種模塊建立起自動化優(yōu)化流程。對于高壓動葉復(fù)合內(nèi)冷結(jié)構(gòu),采用MIGA優(yōu)化算法在多維設(shè)計空間中搜尋最優(yōu)參數(shù)組合,用于冷卻結(jié)構(gòu)的細節(jié)優(yōu)化。優(yōu)化后葉片的平均壁溫降低顯著。經(jīng)CFX模擬,改善效果得到確認(rèn),本文的設(shè)計思路和計算分析方法對新型渦輪氣冷葉片的設(shè)計研發(fā)具有一定的指導(dǎo)意義。
【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】：2017
【分類號】：TK471

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 屠澤燦;毛軍逵;蘇云亮;郭文;;雙層渦輪葉片異形冷卻單元內(nèi)換熱特性實驗研究[J];南京航空航天大學(xué)學(xué)報;2016年03期

2 梁琴琴;;美國典型航空發(fā)動機發(fā)展計劃及對技術(shù)創(chuàng)新的影響[J];全球科技經(jīng)濟w，

本文編號：1313904