透平葉柵流動和換熱特性的數(shù)值研究.pdf

1、提高透平燃?xì)馊肟跍囟瓤梢杂行嵘細(xì)廨啓C(jī)效率，但是葉片材料耐高溫性能的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上當(dāng)今透平入口溫度提升的需求，因此發(fā)展更先進(jìn)的冷卻技術(shù)迫在眉睫。氣膜冷卻作為現(xiàn)代渦輪部件的主要熱防護(hù)方式之一，研究其在透平葉柵中的流動和傳熱特性，可以幫助設(shè)計人員更好地優(yōu)化現(xiàn)有冷卻技術(shù)。在真實(shí)透平運(yùn)行工況下，高溫、高壓、高旋轉(zhuǎn)、高湍度的條件使得關(guān)于真實(shí)透平的實(shí)驗研究困難重重。實(shí)驗室研究人員通常采取簡化的線性葉柵實(shí)驗或在苛刻條件下采用數(shù)值模擬的方法對透平展開

2、研究。本文將使用三種湍流模型對實(shí)驗中的簡化方式進(jìn)行數(shù)值驗證，并對復(fù)雜氣膜冷卻的真實(shí)靜子葉柵中流-固耦合氣動和換熱特性進(jìn)行研究。
　　本文的數(shù)值模擬是采用商業(yè)軟件SolidWorks2014進(jìn)行建模，然后導(dǎo)入AnsysICEM15.0中劃分網(wǎng)格，使用Ansys Fluent15.0進(jìn)行數(shù)值計算，最后應(yīng)用流體力學(xué)視覺化軟件Tecplot3602013 R1、Excel2012等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理。主要研究內(nèi)容聚焦在以下三個方面:

3、>　　(1)應(yīng)用Realizable k-ε、SST k-ω和V2-F湍流模型，模擬了室溫室壓條件下，線性平面透平葉柵雙通道水洞實(shí)驗中的流動特性。分別使用這三種湍流模型，驗證了線性葉柵試驗中沿翼展中截面的流動對稱性簡化和使用雙通道模擬真實(shí)的流動周期性是可行的;研究了前緣及葉柵入口通道中的二次流變化，通過與實(shí)驗數(shù)據(jù)對比，發(fā)現(xiàn)V2-F模型能夠完整的預(yù)測出各個截面上的二次流特征，并很好的反映壓力側(cè)馬蹄渦在向下游流動時逐漸偏移向吸力側(cè)的過程。<

4、br>　　(2)使用V2-F湍流模型，分別研究了流體工質(zhì)為不可壓縮的水和可壓縮的理想氣體兩種工況下，采用軸向旋轉(zhuǎn)角度約為7.826°周期性邊界條件的環(huán)形葉柵單通道和采用線性周期性條件的平面葉柵單通道中的靜壓分布。在這兩種工況下，分別比較了環(huán)形葉柵和線性葉柵中沿軸向順流方向和翼展高度方向上壓力變化的差異;指出將環(huán)形葉柵簡化為線性葉柵時，可接受的壓力相對誤差(≤5％)的分布區(qū)域，為線性簡化后提供了合理的研究區(qū)域;最后分別展示了環(huán)形葉柵與線性

5、葉柵中前緣及入口通道中的二次流變化特征。
　　(3)采用Realizable k-ε、SST k-ω和V2-F湍流模型，引入流-固耦合的分析方法，研究了實(shí)驗條件下的帶有復(fù)雜氣膜冷卻裝置的真實(shí)環(huán)形葉柵中的氣動和傳熱特性。分別比較了不同湍流模型預(yù)測的靜葉外表面靜壓分布、通道中的總壓損失、葉片外表面換熱系數(shù)及氣膜冷卻效率分布;并研究了主流入口與出口總壓壓比變化對流動和傳熱特性的影響;還對比了耦合傳熱及絕熱壁面條件下的氣膜冷卻效率，指出葉