燃气轮机气膜冷却孔的数值模拟及优化设计研究

论文摘要

燃气轮机是一种新型动力装置,目前已在航空、发电、冶金、化工、传播、能源与动力工程等领域获得广泛应用,在国民经济与国防建设中的作用日显重要。目前先进发动机的涡轮前进口温度已达到了2000K左右,比高压涡轮叶片金属材料的熔点高400K,因此,必须采取一定的冷却措施,以降低部件的表面温度,减少热负荷。目前对发动机高温部件实施防热保护的方法有扰动冷却、冲击冷却和气膜冷却等。其中以气膜冷却技术的应用最为广泛和最具应用前景,所以,气膜冷却孔得设计非常重要。而目前国内外的工作者大都是通过实验及经验设计的方法来研究,很少有人从优化设计的角度考虑。随着计算流体力学及计算机的发展,数值模拟涡轮叶片表面各个部位的冷却效果已经成为可能。应用数值模拟的方法可以对实验难以测量的参数进行预估,可以很精确的模拟出其内部的流场分布和表面温度分布的特点,而不需要大量的实验。应用数值模拟的方法对涡轮叶片的冷却进行分析和研究,有利于提高工作的可靠性和经济性,因此数值模拟的方法是研究燃气轮机叶片冷却技术的一个重要的手段。本文采用NUMECA公司的Fine/Turbo软件包,对没有气膜冷却的涡轮叶栅进行了数值模拟,静压分布与热流率计算结果与实验结果得到了很好的吻合,验证了数值模拟的可行性并进而选取了合适的湍流模型。在改变气膜孔孔径和入射角度的条件下,对叶片前缘具有单排气膜冷却孔的涡轮叶栅分别进行了详细的三维数值模拟,得到了孔径和入射角度变化对气膜孔下游有效作用面积和冷却空气流量影响的关系。并以此为基础,在Matlab中进行了数值分析,得到了在温度约束下比流量随孔径和冷却空气入射角度变化的关系,从而为今后气膜冷却孔的优化设计打下了良好的基础,为工程设计提供了有价值的参考。最后,本文还对研究生阶段所作的工作——混合动力车用控制器的冷却及隔振设计作了简单的介绍。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状及研究方法
• 1.2.1 国外学者在气膜冷却方面的研究现状
• 1.2.2 国内学者在气膜冷却方面的研究现状
• 1.2.3 数值模拟
• 1.2.4 优化设计
• 1.3 本文的主要内容和创新点
• 1.3.1 本文的主要内容
• 1.3.2 本文的创新点
• 2 叶片冷却计算的数值模拟方法
• 2.1 基本方程
• 2.2 湍流模型
• 2.2.1 Baldwin-Lomax湍流模型
• 2.2.2 Spalart-Allmaras湍流模型
• 2.3 计算方法及离散格式
• 2.3.1 空间离散格式
• 2.3.2 时间推进格式
• 2.3.3 加速收敛技术
• 2.4 计算网格及边界条件
• 2.4.1 计算网格
• 2.4.2 边界条件
• 2.5 本章小结
• 3 无气膜冷却涡轮叶栅的数值研究
• 3.1 研究模型和数值方法
• 3.1.1 物理模型
• 3.1.2 计算域及计算网格
• 3.1.3 计算方法
• 3.1.4 边界条件
• 3.2 结果与分析
• 3.2.1 静压分布
• 3.2.2 温度分布与热流率
• 3.2.3 湍流模型的选择
• 3.3 本章小结
• 4 涡轮叶栅气膜冷却流场的数值模拟及优化设计研究
• 4.1 研究模型和数值方法
• 4.1.1 物理模型
• 4.1.2 计算域及计算网格
• 4.1.3 计算方法
• 4.1.4 边界条件
• 4.2 结果与分析
• 4.2.1 孔径变化的气膜冷却结果分析
• 4.2.2 入射角度变化的气膜冷却结果分析
• 4.3 优化设计研究
• 4.3.1 目标函数
• 4.3.2 约束条件
• 4.3.3 设计变量
• 4.3.4 优化问题的数值模型及数值分析
• 4.4 本章小结
• 5 混合动力车用控制器的冷却与隔振设计
• 5.1 机箱设计
• 5.2 冷却设计
• 5.2.1 冷却液的选择
• 5.2.2 冷却液的温度和流量
• 5.2.3 控制器内部在规定的水流量下水阻
• 5.3 隔振设计
• 5.3.1 被动隔振力学模型
• 5.3.2 隔振器的选择
• 5.3.3 隔振器设计参数的确定
• 5.3.4 隔振器的校核计算
• 5.3.5 隔振器设计步骤
• 5.4 实例计算和校核
• 5.4.1 实例计算
• 5.4.2 隔振器的校核计算
• 5.5 本章小结
• 6 结论和展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢