基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的氣冷渦輪氣熱彈耦合數(shù)值計(jì)算.pdf

1、航空工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)要求發(fā)動(dòng)機(jī)具備更高的渦輪入口溫度，提高渦輪入口溫度對(duì)葉片的熱防護(hù)提出了更高的要求，因此需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的冷卻結(jié)構(gòu)來(lái)降低葉片的溫度，而冷卻結(jié)構(gòu)的改型設(shè)計(jì)需要準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)葉片的溫度，同時(shí)葉片的強(qiáng)度校核也需要計(jì)算高溫及冷卻不均形成的熱應(yīng)力，單純的氣動(dòng)計(jì)算已經(jīng)無(wú)法滿足高性能設(shè)計(jì)的要求，因此全三維的氣熱彈多場(chǎng)耦合計(jì)算方法成為現(xiàn)代高性能發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的必備工具。本文的工作主要是開(kāi)發(fā)了全三維的基于非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的氣熱彈耦合計(jì)算程序，對(duì)其進(jìn)行了實(shí)

2、驗(yàn)、解析解驗(yàn)證，并將其應(yīng)用在氣冷渦輪的傳熱和強(qiáng)度分析中，并且對(duì)高精度的離散方法及多場(chǎng)耦合方法進(jìn)行了研究。
　　首先推導(dǎo)了三維N-S方程的有限體積離散格式，介紹了MUSUL方法，及其線性重構(gòu)求解梯度所采用的最小二乘法，為了保持穩(wěn)定性采用了Venkatakrishnan限制器。給出了預(yù)處理方法的具體過(guò)程，及求解對(duì)流項(xiàng)的預(yù)處理AUSM+格式，詳細(xì)推導(dǎo)了基于預(yù)處理方法的LU-SGS隱式時(shí)間推進(jìn)方法。通過(guò)方腔流、無(wú)粘Bump流動(dòng)及平板流動(dòng)驗(yàn)

3、證了三維程序計(jì)算的準(zhǔn)確性及預(yù)處理方法的有效性，采用T3A、T3A-和S&K三個(gè)算例對(duì)轉(zhuǎn)捩模型進(jìn)行了驗(yàn)證。針對(duì)二維非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格上高精度WENO格式線性權(quán)的負(fù)值問(wèn)題，提出了一種求最優(yōu)線性權(quán)的方法，建立了求解的具體數(shù)學(xué)模型，通過(guò)前臺(tái)階繞流和雙馬赫反射問(wèn)題驗(yàn)證了程序在處理間斷問(wèn)題時(shí)的敏感性和穩(wěn)定性。
　　然后研究了固體場(chǎng)的求解方法，采用有限體積法求解了導(dǎo)熱方程，采用全隱式的求解方法，具有較高的計(jì)算效率。采用加權(quán)最小二乘法構(gòu)造了高精度的梯度

4、計(jì)算方法，通過(guò)與解析解的對(duì)比驗(yàn)證了該方法有效地提高了導(dǎo)熱計(jì)算的精度。采用高精度的有限元方法求解了熱彈耦合問(wèn)題，介紹了有限元離散方程建立的具體過(guò)程及求解方法。通過(guò)有限長(zhǎng)圓筒的解析解對(duì)程序的精度進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明，本文的有限元程序整體精度很高，在給定精確溫度解的條件下，計(jì)算的位移和解析解吻合很好，誤差在1％的范圍。計(jì)算的軸向、周向和徑向應(yīng)力與解析解基本吻合。并以某燃?xì)廨啓C(jī)渦輪葉片為例，將程序計(jì)算的溫度、熱變形和熱應(yīng)力與商業(yè)軟件ACE的計(jì)算

5、結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了程序的精度及對(duì)復(fù)雜模型的適用性。
　　最后將多物理場(chǎng)的求解方法按照不同的耦合方式耦合開(kāi)發(fā)了氣熱彈耦合計(jì)算程序，氣熱部分采用雙向耦合，熱彈采用單向耦合。將面積加權(quán)類的插值方法應(yīng)用在交界面的數(shù)據(jù)傳遞上，通過(guò)與精確解的對(duì)比驗(yàn)證了插值程序的精度。對(duì)C3X的4521工況進(jìn)行了氣熱耦合計(jì)算，并與其傳熱實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了氣熱耦合計(jì)算的精度，計(jì)算得溫度和換熱系數(shù)與實(shí)驗(yàn)值吻合較好。通過(guò) MARKIⅡ的4311和5411號(hào)實(shí)驗(yàn)工

6、況，研究了轉(zhuǎn)捩對(duì)傳熱計(jì)算的影響，可以看出，采用轉(zhuǎn)捩模型后能夠提高層流區(qū)和轉(zhuǎn)捩區(qū)傳熱計(jì)算的精度。轉(zhuǎn)捩模型對(duì)壓力的影響很小，對(duì)于存在激波和邊界層干擾的區(qū)域，傳熱計(jì)算仍存在較大誤差。在已有程序HIT-3D的基礎(chǔ)上驗(yàn)證了氣熱耦合及湍流模型對(duì)溫度計(jì)算的影響，結(jié)果表明，耦合壁面的溫度要比絕熱壁面的溫度低大約30%，BL模型計(jì)算的轉(zhuǎn)捩區(qū)溫度與實(shí)驗(yàn)值相差10%，q-ω模型、BL加AGS轉(zhuǎn)捩模型、SST-Gama模型計(jì)算的溫度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差值在5%以內(nèi)，

7、計(jì)算的精度相對(duì)較高。應(yīng)用熱彈計(jì)算程序?qū)ARKⅡ葉片和某低壓渦輪導(dǎo)葉傳熱分析的結(jié)果進(jìn)行了熱彈分析，證明了采用轉(zhuǎn)捩模型有助于更加準(zhǔn)確地驗(yàn)證渦輪葉片的安全可靠性。最后應(yīng)用氣熱彈耦合平臺(tái)對(duì)某低壓渦輪導(dǎo)葉進(jìn)行了氣熱彈多場(chǎng)耦合計(jì)算，研究了其轉(zhuǎn)捩流動(dòng)特性以及傳熱特性，分析了局部高溫區(qū)的分部及最大應(yīng)力集中位置，為冷卻結(jié)構(gòu)的改型提供了依據(jù)，同商業(yè)軟件對(duì)比驗(yàn)證了程序計(jì)算的準(zhǔn)確性，雖然存在由過(guò)約束導(dǎo)致的應(yīng)力超?，F(xiàn)象，但是可以利用應(yīng)力的分布趨勢(shì)來(lái)輔助進(jìn)行葉片