提高气冷涡轮气热耦合计算精度方法的研究

论文摘要

航空发动机正朝着提高推重比与效率的方向发展,为了达到这个目的,涡轮入口温度不断提高,目前涡轮进口温度已经远远超过了叶片材料的屈服极限,这样就必须对叶片进行有效地冷却以维持叶片的正常工作。准确地预测涡轮叶片的温度场已经成为提高冷却效率、延长叶片工作寿命的关键问题。随着计算流体力学以及计算机技术的发展,气热耦合数值模拟已经成为预测涡轮叶片温度场的重要工具,本文的工作在于采用自编程序对气冷涡轮叶片进行气热耦合数值模拟,并对影响气热耦合计算精度的物理模型进行研究,以提高实际涡轮气热耦合数值仿真的准确性与可靠性,并初步建立与完善可用于实际涡轮仿真的气热耦合仿真平台。冷气掺混是采用气膜冷却的涡轮主流道中很常见的物理现象,由于冷空气与燃气成分的差异,掺混必然会导致流道中工质组分的变化,进而使工质热物性变化,以某两级气冷涡轮为例,进行了考虑组分变化的气动计算,与仅采用单工质假设的结果对比发现,考虑组分变化后,不仅工质的热物性发生了变化,流场的结构以及流道中激波位置也有了较大的差异,这就表明为了提高气热耦合计算的精度,组分变化的影响是有必要考虑的。然后研究了计算网格对气热耦合计算的影响,气热耦合涉及到流体和固体区域两个物理场的数据传递以及耦合求解,这是一个非线性的过程,而在流固交接面流体侧存在速度与温度附面层,在这两个附面层内,速度与温度等参数变化剧烈,气热耦合过程中的非线性更加剧烈,迭代过程受网格正交性的影响很大。以NASA-MARKⅡ叶片的5411试验工况为例,分别采用H型和H-O-H型网格对涡轮流道区域进行离散,进行气热耦合计算,结果表明在流固耦合交界面流体侧采用正交性差的H型网格很容易导致计算发散,而在该区域采用正交性较好的O型网格有利于迭代的进行。对于采用弱耦合方式的气热耦合计算,需要采用耦合方法来实现流体与固体区域的数据传递。目前运用比较多的有两种耦合方法:间接耦合方法与直接耦合方法。采用上节中相同的算例与这两种耦合方法,分别进行了气热耦合计算。发现间接耦合方法会导致气热耦合计算的不稳定、收敛速度缓慢,而直接耦合方法则具有稳定性好,收敛速度较快的特点。附面层转捩是涡轮叶片表面附面层流动过程中一个很重要的流动现象,以NASA-MARKⅡ叶片的多个试验工况为算例,采用不同湍流模型和转捩模型进行气热耦合计算,结果表明附面层的流态变化对涡轮叶片的传热影响很大,而且转捩不仅存在于叶片表面,在冷却空气流量较小时,冷却腔壁表面也存在较大范围的层流、转捩区域,研究还表明对附面层内的转捩预测是影响气热耦合计算精度的很重要的因素。全湍流模型不能够预测附面层转捩的起止位置以及转捩区长度,因此不能够准确地对涡轮叶片表面的传热过程进行预测,预测的叶片表面温度与试验测量值偏差很大;而建立在间歇因子基础上的转捩模型则可以预测出附面层的流态变化,预测的叶片表面温度与试验测量值吻合最好。此外,不同的转捩模型对转捩的预测能力也不尽相同,代数转捩模型只考虑到了间歇因子沿着流向的分布,而忽略了间歇因子沿着壁面法向的变化,这导致在叶片表面的一些区域预测的结果低于试验测量值,而间歇因子输运方程则可以模拟间歇因子的三维输运效应,尽管在原理上更符合实际情况,但是该模型对计算网格的要求很高,不仅增加了计算量,也影响了计算的收敛性。与CFX10,Gama-Theta模型的结果比较表明,本文开发的气热耦合求解器在激波诱发的转捩区域预测的结果不如CFX10的结果,但是在其它区域,本文预测的结果要更接近于实验测量值。目前能量方程的封闭一般采用雷诺比拟方法,对湍流普朗特数取常数。但是与速度附面层类似,温度附面层也具有复合层性质,沿着壁面法线方向,湍流普朗特数是变化的。在气热耦合计算中,采用代数经验关联式对湍流普朗特数进行计算,结果表明,沿着壁面外法线方向,湍流普朗特数逐渐减小,但是在本文的计算中,考虑湍流普朗特数的变化预测的叶片表面温度与不考虑该参数变化的结果相差不大。最后本文对一实际燃气轮机的低压涡轮导叶进行了气热耦合数值模拟。与绝热情况相比,采用单腔内冷方式的涡轮叶片表面温度都有所降低,温度最高区域位于叶片前缘与叶片尾缘;采用尾缘劈缝冷却后,涡轮叶片尾缘温度降低幅度最大,但是在其它区域的冷却效果要受到冷却腔内冷气的流动过程影响,这在冷却系统的设计中是需要认真考虑的。同时冷空气喷入主流会改变主流燃气的成分,影响工质的气体常数与定压比热等热物性质,其中气体常数降低,但是在整个流动区域内其值变化很小,而在冷气浓度比较大的区域,考虑组分扩散影响预测的定压比热比采用单工质假设的定压比热低,在仅采用了尾缘劈缝冷却而其他区域不采用气膜冷却的条件下,冷空气从劈缝喷出进入下游区域,尾缘上游区域冷气浓度特别小,此时考虑组分扩散与否,这两种情况下的叶片型面压力差异很小,而在叶片表面大部分区域型面温度差异也很小,但是在叶片压力面靠近劈缝区域,考虑组分扩散影响后,气体常数受组分以及温度的双重影响,其值与不考虑组分扩散的结果有较大差异。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题研究的背景和意义
• 1.3 气冷涡轮技术概况
• 1.4 气热耦合技术的发展概况
• 1.5 湍流模型的发展概况
• 1.5.1 基于涡粘性假设的湍流模型
• 1.5.2 二阶矩模型（雷诺应力模型）
• 1.5.3 其它湍流模型的发展
• 1.5.4 湍流模型对近壁面流动的模拟
• 1.5.5 湍流模型发展趋势探讨
• 1.6 转捩流动模拟状况与转捩模型的发展
• 1.6.1 转捩的理论研究
• 1.6.2 转捩模型
• 1.7 能量方程的封闭
• 1.8 论文的主要研究内容
• 第2章 控制方程
• 2.1 引言
• 2.2 多组分流体控制方程
• 2.2.1 柱坐标系下的三维粘性流体控制方程
• 2.2.2 任意曲线坐标下的粘性流体控制方程
• 2.2.3 组分变化对比热及气体常数的影响
• 2.3 流体控制方程边界条件
• 2.3.1 进口边界条件
• 2.3.2 固壁边界条件
• 2.3.3 周期边界条件
• 2.3.4 出口边界条件
• 2.4 导热微分方程
• 2.4.1 导热微分方程在任意曲线坐标系下的展开
• 2.4.2 导热微分方程边界条件
• 2.5 在冷气掺混计算中考虑组分变化的必要性
• 2.5.1 算例及计算网格
• 2.5.2 计算结果分析
• 2.5.3 小结
• 2.6 本章小结
• 第3章 N-S方程以及能量方程的封闭——湍流、转捩模型以及Prt关联式
• 3.1 引言
• 3.2 湍流模型方程
• 3.2.1 B-L代数湍流模型
• 3.2.2 双方程湍流流模型
• 3.2.3 壁面函数
• 3.3 转捩模型方程
• 3.3.1 Abu-Ghannam&Shaw（AGS）转捩模型
• 3.3.2 间歇因子输运方程
• 3.4 湍流普朗特数关联式
• 3.5 本章小结
• 第4章 气热耦合数值方法
• 4.1 引言
• 4.2 流体控制方程的离散与求解
• 4.2.1 系数矩阵分裂的对角线形近似因式分解法
• 4.2.2 差分格式
• 4.3 固体导热微分方程的离散与求解
• 4.3.1 交替方向隐式格式
• 4.3.2 差分格式
• 4.4 分区技术
• 4.4.1 计算区域内部网格交界面数据传递
• 4.4.2 流固交界面数据传递
• 4.5 耦合方法
• 4.6 计算网格
• 4.7 计算网格以及耦合方法对气热耦合计算的影响
• 4.7.1 计算网格的影响
• 4.7.2 耦合方法的影响
• 4.8 本章小结
• 第5章 湍流转捩因素对气热耦合计算的影响
• 5.1 引言
• 5.2 验证算例及数值方法
• 5.3 湍流、转捩模型对气热耦合计算精度的影响
• 5.3.1 计算方案
• 5.3.2 计算结果及分析
• 5.3.3 小结
• 5.4 考虑转捩的气热耦合计算
• 5.4.1 时间尺度限制方法的引入
• 5.4.2 转捩计算
• 5.4.3 小结
• 5.5 能量方程封闭方法对气热耦合数值计算的影响
• 5.6 本章小结
• 第6章 采用不同冷却结构涡轮的气热耦合计算
• 6.1 引言
• 6.2 计算算例及数值模型
• 6.2.1 涡轮叶型及运行参数
• 6.2.2 冷却方案
• 6.2.3 数值计算方法
• 6.3 采用单腔内冷涡轮叶片的气热耦合数值模拟
• 6.4 采用双腔及尾缘劈缝冷却涡轮叶片的气热耦合数值模拟
• 6.4.1 采用单工质假设的气热耦合计算
• 6.4.2 考虑组分扩散的的气热耦合计算
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历