提高氣冷渦輪氣熱耦合計算精度方法的研究.pdf

1、航空發(fā)動機正朝著提高推重比與效率的方向發(fā)展，為了達到這個目的，渦輪入口溫度不斷提高，目前渦輪進口溫度已經(jīng)遠遠超過了葉片材料的屈服極限，這樣就必須對葉片進行有效地冷卻以維持葉片的正常工作。準確地預測渦輪葉片的溫度場已經(jīng)成為提高冷卻效率、延長葉片工作壽命的關(guān)鍵問題。隨著計算流體力學以及計算機技術(shù)的發(fā)展，氣熱耦合數(shù)值模擬已經(jīng)成為預測渦輪葉片溫度場的重要工具，本文的工作在于采用自編程序?qū)饫錅u輪葉片進行氣熱耦合數(shù)值模擬，并對影響氣熱耦合計算精度

2、的物理模型進行研究，以提高實際渦輪氣熱耦合數(shù)值仿真的準確性與可靠性，并初步建立與完善可用于實際渦輪仿真的氣熱耦合仿真平臺。
　　冷氣摻混是采用氣膜冷卻的渦輪主流道中很常見的物理現(xiàn)象，由于冷空氣與燃氣成分的差異，摻混必然會導致流道中工質(zhì)組分的變化，進而使工質(zhì)熱物性變化，以某兩級氣冷渦輪為例，進行了考慮組分變化的氣動計算，與僅采用單工質(zhì)假設(shè)的結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，考慮組分變化后，不僅工質(zhì)的熱物性發(fā)生了變化，流場的結(jié)構(gòu)以及流道中激波位置也有了較

3、大的差異，這就表明為了提高氣熱耦合計算的精度，組分變化的影響是有必要考慮的。
　　然后研究了計算網(wǎng)格對氣熱耦合計算的影響，氣熱耦合涉及到流體和固體區(qū)域兩個物理場的數(shù)據(jù)傳遞以及耦合求解，這是一個非線性的過程，而在流固交接面流體側(cè)存在速度與溫度附面層，在這兩個附面層內(nèi)，速度與溫度等參數(shù)變化劇烈，氣熱耦合過程中的非線性更加劇烈，迭代過程受網(wǎng)格正交性的影響很大。以NASA-MARKⅡ葉片的5411試驗工況為例，分別采用H型和H-O-H型網(wǎng)

4、格對渦輪流道區(qū)域進行離散，進行氣熱耦合計算，結(jié)果表明在流固耦合交界面流體側(cè)采用正交性差的H型網(wǎng)格很容易導致計算發(fā)散，而在該區(qū)域采用正交性較好的O型網(wǎng)格有利于迭代的進行。
　　對于采用弱耦合方式的氣熱耦合計算，需要采用耦合方法來實現(xiàn)流體與固體區(qū)域的數(shù)據(jù)傳遞。目前運用比較多的有兩種耦合方法：間接耦合方法與直接耦合方法。采用上節(jié)中相同的算例與這兩種耦合方法，分別進行了氣熱耦合計算。發(fā)現(xiàn)間接耦合方法會導致氣熱耦合計算的不穩(wěn)定、收斂速度緩慢

5、，而直接耦合方法則具有穩(wěn)定性好，收斂速度較快的特點。
　　附面層轉(zhuǎn)捩是渦輪葉片表面附面層流動過程中一個很重要的流動現(xiàn)象，以NASA-MARKⅡ葉片的多個試驗工況為算例，采用不同湍流模型和轉(zhuǎn)捩模型進行氣熱耦合計算，結(jié)果表明附面層的流態(tài)變化對渦輪葉片的傳熱影響很大，而且轉(zhuǎn)捩不僅存在于葉片表面，在冷卻空氣流量較小時，冷卻腔壁表面也存在較大范圍的層流、轉(zhuǎn)捩區(qū)域，研究還表明對附面層內(nèi)的轉(zhuǎn)捩預測是影響氣熱耦合計算精度的很重要的因素。全湍流模型

6、不能夠預測附面層轉(zhuǎn)捩的起止位置以及轉(zhuǎn)捩區(qū)長度，因此不能夠準確地對渦輪葉片表面的傳熱過程進行預測，預測的葉片表面溫度與試驗測量值偏差很大；而建立在間歇因子基礎(chǔ)上的轉(zhuǎn)捩模型則可以預測出附面層的流態(tài)變化，預測的葉片表面溫度與試驗測量值吻合最好。此外，不同的轉(zhuǎn)捩模型對轉(zhuǎn)捩的預測能力也不盡相同，代數(shù)轉(zhuǎn)捩模型只考慮到了間歇因子沿著流向的分布，而忽略了間歇因子沿著壁面法向的變化，這導致在葉片表面的一些區(qū)域預測的結(jié)果低于試驗測量值，而間歇因子輸運方程則

7、可以模擬間歇因子的三維輸運效應(yīng)，盡管在原理上更符合實際情況，但是該模型對計算網(wǎng)格的要求很高，不僅增加了計算量，也影響了計算的收斂性。與CFX10，Gama-Theta模型的結(jié)果比較表明，本文開發(fā)的氣熱耦合求解器在激波誘發(fā)的轉(zhuǎn)捩區(qū)域預測的結(jié)果不如CFX10的結(jié)果，但是在其它區(qū)域，本文預測的結(jié)果要更接近于實驗測量值。
　　目前能量方程的封閉一般采用雷諾比擬方法，對湍流普朗特數(shù)取常數(shù)。但是與速度附面層類似，溫度附面層也具有復合層性質(zhì)，沿

8、著壁面法線方向，湍流普朗特數(shù)是變化的。在氣熱耦合計算中，采用代數(shù)經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式對湍流普朗特數(shù)進行計算，結(jié)果表明，沿著壁面外法線方向，湍流普朗特數(shù)逐漸減小，但是在本文的計算中，考慮湍流普朗特數(shù)的變化預測的葉片表面溫度與不考慮該參數(shù)變化的結(jié)果相差不大。
　　最后本文對一實際燃氣輪機的低壓渦輪導葉進行了氣熱耦合數(shù)值模擬。與絕熱情況相比，采用單腔內(nèi)冷方式的渦輪葉片表面溫度都有所降低，溫度最高區(qū)域位于葉片前緣與葉片尾緣；采用尾緣劈縫冷卻后，渦輪

9、葉片尾緣溫度降低幅度最大，但是在其它區(qū)域的冷卻效果要受到冷卻腔內(nèi)冷氣的流動過程影響，這在冷卻系統(tǒng)的設(shè)計中是需要認真考慮的。同時冷空氣噴入主流會改變主流燃氣的成分，影響工質(zhì)的氣體常數(shù)與定壓比熱等熱物性質(zhì)，其中氣體常數(shù)降低，但是在整個流動區(qū)域內(nèi)其值變化很小，而在冷氣濃度比較大的區(qū)域，考慮組分擴散影響預測的定壓比熱比采用單工質(zhì)假設(shè)的定壓比熱低，在僅采用了尾緣劈縫冷卻而其他區(qū)域不采用氣膜冷卻的條件下，冷空氣從劈縫噴出進入下游區(qū)域，尾緣上游區(qū)域冷