柯恩达效应在燃机涡轮中作用机理的数值模拟研究

论文摘要

环量控制涡轮叶栅是利用柯恩达效应对涡轮静子叶栅进行的改型设计,主要目的是减轻重量和保证气动性能。环量控制叶栅通过切除涡轮薄的尾缘来减轻涡轮重量,而通过引入柯恩达射流,利用壁面射流的附壁效应以及其对主流的携带作用来保证涡轮叶栅的气动性能。本文对基于两种涡轮静子叶型的环量控制叶栅在四种不同的叶栅出口马赫数的气动性能和内部流动状况进行了数值模拟研究。本文首先对出口马赫数为0.3的低亚音涡轮叶栅进行了研究。主要探讨了射流口高度、射流总压、柯恩达表面几何形式对叶栅性能和柯恩达射流附壁情况的影响。通过适当组合不同的几何和气动条件可以得到与原型相近的叶栅的出口气流角和膨胀比,同时能量损失与原型叶栅相当。改变射流总压和柯恩达表面的曲率可以得到不同的叶栅性能。柯恩达射流的附壁情况取决于射流速度和柯恩达表面的曲率。对于基于跨音涡轮的环量控制叶栅,本文研究了在0.6、0.85和1.1等三种不同马赫数情况下叶栅的气动性能和内部流动。主要包括对开缝位置,射流总压以及柯恩达表面曲率三种几何和气动因素的讨论。在叶栅出口马赫数为0.6时,环量控制叶栅可以得到原型相近的气动性能和能量损失,通过改变射流供气压比和柯恩达表面曲率可以对叶栅性能进行进一步调节。在叶栅出口马赫数为0.85时,环量控制叶栅的气动性能比原型略低。在马赫数为1.1时柯恩达叶栅可以得到和原型相近的气流角和膨胀比,柯恩达表面的出现激波,导致能量损失大于原型。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 柯恩达效应及其应用
• 1.3 研究目的及意义
• 1.4 国内外的研究现状
• 1.5 主要研究内容
• 1.6 计算流体力学及其在叶轮机械中的应用
• 1.6.1 计算流体力学及其基本思想和方法
• 1.6.2 CFD 方法在叶轮机械中的应用
• 1.7 本章小结
• 第2章 数值计算方法
• 2.1 引言
• 2.2 ANSYS CFX 软件介绍
• 2.2.1 控制方程
• 2.2.2 控制方程的数值离散
• 2.2.3 离散方程的计算方法
• 2.2.4 湍流模型
• 2.2.5 前处理与后处理
• 2.3 环量控制叶栅的数值模拟方法
• 2.3.1 计算域网格构造
• 2.3.2 流动模型设置
• 2.3.3 数据处理及分析
• 2.4 数值方法的标定
• 2.4.1 低亚音涡轮叶栅数值模拟
• 2.4.2 高亚音及跨音涡轮叶栅数值模拟
• 2.5 本章小结
• 第3章 低亚音环量控制涡轮叶栅的数值研究
• 3.1 引言
• 3.2 低亚音环量控制叶栅几何体构造
• 3.3 射流高度对叶栅性能的影响
• 3.3.1 几何构造及流动模型设置
• 3.3.2 叶栅气动性能分析
• 3.3.3 柯恩达射流附壁情况分析
• 3.4 射流总压对叶栅性能的影响
• 3.4.1 流动模型设置
• 3.4.2 叶栅气动性能分析
• 3.4.3 柯恩达射流附壁情况分析
• 3.4.4 流场细节分析
• 3.5 柯恩达表面对叶栅性能的影响
• 3.5.1 几何构造和流动模型设置
• 3.5.2 叶栅气动性能分析
• 3.5.3 柯恩达射流附壁情况分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 高亚音和跨音环量控制叶栅的数值研究
• 4.1 引言
• 4.2 不同开缝位置对叶栅性能的影响
• 4.2.1 几何体构造和流动模型设置
• 4.2.2 叶栅气动性能分析
• 4.2.3 柯恩达射流附壁情况分析
• 4.3 具有圆形柯恩达表面的环量控制叶型
• 4.3.1 几何构造和流动模型设置
• 4.3.2 出口马赫数为0.6 时的环量控制叶栅
• 4.3.3 出口马赫数为0.85 时的环量控制叶栅
• 4.3.4 出口马赫数为1.1 时的环量控制叶栅
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢