渦輪流場(chǎng)大渦模擬與擬序結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、湍流是一種極為復(fù)雜的流動(dòng)狀態(tài)，直至現(xiàn)在，人們對(duì)湍流機(jī)理的認(rèn)識(shí)尚不完善，仍在探索之中。湍流問(wèn)題又是在工程技術(shù)中經(jīng)常涉及到的重要難題，如何精確數(shù)值模擬湍流的復(fù)雜流場(chǎng)，成了湍流研究的一個(gè)重要目標(biāo)。近些年發(fā)展起來(lái)的大渦模擬方法受到人們特別關(guān)注，本文采用該方法進(jìn)行了航空燃?xì)鉁u輪相關(guān)的湍流流場(chǎng)的精確數(shù)值模擬與擬序結(jié)構(gòu)的機(jī)理性研究，這是與發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高密切相關(guān)的，其研究工作是具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
　　文中發(fā)展了高精度、高效率的可

2、壓縮流大渦模擬算法，主要包括:
　　1)導(dǎo)出可壓縮流大渦模擬控制方程和無(wú)需近壁修正的動(dòng)態(tài)亞格子模型，并在大渦模擬算法中引進(jìn)計(jì)算低馬赫數(shù)的先進(jìn)預(yù)處理技術(shù)，擴(kuò)展了可壓縮流大渦模擬算法的應(yīng)用范圍。
　　2)在數(shù)值解法中，為了確?？臻g離散數(shù)值通量的高精度，對(duì)流項(xiàng)采用六階WENOSYM格式離散、粘性項(xiàng)采用六階緊致格式離散，并導(dǎo)出了緊致格式的相應(yīng)系數(shù);為了簡(jiǎn)化隱式迭代的矩陣形式，提出應(yīng)用預(yù)處理之后的簡(jiǎn)化Roe Jacobians矩陣形式

3、，推動(dòng)了隱式預(yù)處理技術(shù)在工程中的應(yīng)用。
　　3)為了更好的給定適用于壁湍流大渦模擬的進(jìn)口擾動(dòng)，采用一種先進(jìn)的合成渦方法，經(jīng)過(guò)計(jì)算檢驗(yàn)，確認(rèn)其僅需很短的計(jì)算域就可以得到完全發(fā)展湍流，為大渦模擬在工程上應(yīng)用提供了適用的進(jìn)口邊界條件。
　　深入進(jìn)行了相關(guān)的湍流邊界層流場(chǎng)擬序結(jié)構(gòu)及流動(dòng)特性研究，主要包括:
　　1)分析了平板槽道湍流邊界層內(nèi)層的擬序結(jié)構(gòu)。把計(jì)算得到的擬序結(jié)構(gòu)特征參數(shù)與Cantwell B.J.的平壁湍流邊界層擬

4、序結(jié)構(gòu)參數(shù)做了對(duì)比，以及將流場(chǎng)統(tǒng)計(jì)平均值與經(jīng)驗(yàn)公式及DNS解作對(duì)比，得到了基本一致的結(jié)果;對(duì)于計(jì)算中發(fā)現(xiàn)的兩種發(fā)卡渦包結(jié)構(gòu)，經(jīng)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，證實(shí)了其結(jié)構(gòu)的合理性;在對(duì)擬序渦結(jié)構(gòu)時(shí)空演化研究中，詳細(xì)地展示出單側(cè)渦腿的發(fā)卡渦的形成過(guò)程。上述對(duì)平壁湍流中發(fā)卡渦研究中的新成果，尚未見諸其他文獻(xiàn)。
　　2)探討了橫向射流場(chǎng)中的發(fā)卡渦結(jié)構(gòu)及射流脈沖控制發(fā)卡渦結(jié)構(gòu)的優(yōu)化氣膜冷卻方法。通過(guò)對(duì)穩(wěn)定工況平板橫向射流場(chǎng)的大渦模擬數(shù)值解的研究，分析了流

5、場(chǎng)中典型的發(fā)卡渦對(duì)于射流場(chǎng)的影響，及發(fā)卡渦的發(fā)展演化過(guò)程，在此基礎(chǔ)上結(jié)合其他文獻(xiàn)的研究成果，從控制發(fā)卡渦的角度提出了射流進(jìn)口方波脈沖控制優(yōu)化氣膜冷卻的方法，并對(duì)不同脈沖頻率下的射流場(chǎng)進(jìn)行了大渦模擬計(jì)算分析，初步得到了方波脈沖使得發(fā)卡渦間歇出現(xiàn)，無(wú)發(fā)卡渦的間歇區(qū)間與射流出口脈沖波的“波谷”相對(duì)應(yīng)的結(jié)論。此間歇區(qū)間的提出可以為今后渦輪氣膜冷卻設(shè)計(jì)提供一種新的思路。
　　3)展示了無(wú)氣膜冷卻和帶氣膜冷卻的MT1渦輪導(dǎo)葉流場(chǎng)中不同轉(zhuǎn)捩模式

6、的擬序結(jié)構(gòu)形態(tài)。通過(guò)對(duì)流場(chǎng)大渦數(shù)值模擬的研究，展示了葉片吸力面無(wú)氣膜射流時(shí)激波誘導(dǎo)下分離轉(zhuǎn)捩過(guò)程和湍流中的發(fā)卡渦無(wú)序且密集的分布形態(tài)，文中稱此形態(tài)為發(fā)卡渦“森林”，研究了位于渦輪導(dǎo)葉不同位置的氣膜射流在葉片表面產(chǎn)生的射流擬序結(jié)構(gòu)的形態(tài)，顯示了逆轉(zhuǎn)捩過(guò)程影響下的渦拉伸結(jié)構(gòu)。展示上述轉(zhuǎn)捩過(guò)程的近壁渦結(jié)構(gòu)形態(tài)，這種在高壓渦輪的研究中還是第一次。
　　顯然，本文進(jìn)行的大渦模擬算法與湍流擬序結(jié)構(gòu)的研究是密切相關(guān)的，高精度、高效率的可壓縮流大