叶片粗糙度对压气机气动特性影响的数值研究

摘要

燃气轮机在运行过程中受到进气颗粒杂质和电化学腐蚀等的影响，压气机叶片承受着局部或整体损伤的风险，进而影响到燃气轮机的运行效率和性能发挥。表面粗糙度增加是压气机叶片损伤的直接表现形式，并且随运行时间的增加叶片粗糙度也会相应增加。表面粗糙度在微观上改变了叶片几何型线，粗糙单元在增加了叶片表面摩擦的同时也使传热率大大增加，这将使压气机的内部流动损失增加。由于压气机内部流动复杂，而叶片表面粗糙度的直接影响往往局限于附面层内，国内外公开文献报道的对粗糙度的相关研究主要为平面叶栅试验和对三维压气机的数值模拟研究。针对以上问题，本文使用商业软件ANSYS CFX分别对T3平板和NASA Stage35试验压气机开展了关于粗糙度的相关研究，主要涉及的内容如下：
　　1.表面粗糙度对边界层流动影响的研究。以T3平板为研究对象，使用CFX壁面函数处理方法和构建Gauss型粗糙表面方法分别模拟粗糙度对平板边界层流动的影响，考察粗糙度对表面摩擦系数、边界层位移厚度、形状因子等参数以及转捩过程的影响。同时对比评估两种方法在研究粗糙表面流动数值模拟方面的差别，为研究表面粗糙度对压气机气动特性影响的研究奠定基础。
　　2.均匀粗糙度对压气机气动特性的影响研究。在验证了Stage35计算模型的有效性基础上，分别对动叶和静叶附加不同粗糙度值进行100％设计转速下的数值模拟。分析叶片粗糙度对压气机总体性能和内部流动的影响。结合壁面函数方法，拟合得到压气机损失参数与无量纲粗糙度之间的关系式。
　　3.非均匀分布粗糙度对压气机气动特性的影响研究。分别建立粗糙度沿弦向和沿叶高方向非均匀分布的计算模型，并分别按照一定的分布规则对动叶附加粗糙度，考察表面粗糙度在叶片上的位置分布对压气机总体性能和内部流动的影响，总结非均匀粗糙度对压气机损失参数的影响规律。
　　4.压气机叶片压力面和吸力面粗糙度的影响研究。分别对压气机叶片压力面和吸力面附加粗糙度，考察压力面和吸力面粗糙度对压气机总体性能和损失的影响，并以平均粗糙度评价其影响。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 表面粗糙度的定义和表示

1.3 压气机叶片粗糙度特征

1.4 粗糙表面流动的研究现状

1.5 主要研究的内容

第2章 数值模拟方法和边界层理论

2.1 引言

2.2 控制方程及湍流模型

2.3 网格生成及离散方法

2.4 数值模拟工具介绍

2.5 边界层理论概述

2.6 本章小结

第3章 表面粗糙度对边界层流动影响的数值模拟

3.1 引言

3.2 T3系列平板转捩实验的介绍

3.3 粗糙度对边界层转捩的影响

3.4 Gauss型粗糙表面流动的数值模拟

3.5本章小结

第4章 均匀表面粗糙度对压气机气动特性的影响

4.1 引言

4.2 数值计算模型校核

4.3 不同粗糙度下压气机性能和内部流场分析

4.4 粗糙度对压气机损失的影响分析

4.5 本章小结

第5章 非均匀表面粗糙度对压气机气动特性的影响

5.1 引言

5.2非均匀叶片粗糙度模型介绍

5.3 沿弦向非均匀分布模型的数值模拟

5.4 沿叶高非均匀分布模型的数值模拟

5.5 压力面和吸力面粗糙度对压气机性能影响的模拟

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢