带去旋系统的旋转盘腔内流动和换热的数值研究

摘要

涡轮是航空燃气涡轮发动机中重要承力部件和高温部件。现代航空发动机性能不断提高,其一个主要途径就是提高了涡轮前燃气温度。而愈来愈高的涡轮前温度对涡轮部件的冷却方式和冷却结构提出了越来越高的要求。因此,要提高发动机性能,延长其使用寿命,必须深入研究不同冷却方式和冷却结构对涡轮部件的冷却效果。
　　 本文采用数值模拟的分析方法对带去旋系统的旋转盘腔内的流动和换热特性进行了数值模拟。计算模型采用均匀和非均匀相结合的结构化网格,为满足Ekman边界层特点,在靠近转盘表面采用了间距递增的边界层网格。具体研究的的内容有:(1)运用不同湍流模型对典型的流动换热实验模型进行数值模拟,将计算结果与实验结果对比,选取合适的湍流模型:(2)运用选好的湍流模型对转盘上带去旋孔的旋转盘腔开展数值模拟,研究了不同的去旋角、去旋孔个数、盘腔间距、去旋孔径向位置、去旋孔轴向夹角、冷气无量纲流量及旋转雷诺数条件下,盘腔内的速度场、压力场、温度场和转盘表面努赛尔数分布；(3)通过三维数值模拟,将转盘上带去旋孔的共转盘腔与静盘上带预旋孔的转一静盘腔以及无切向速度分量的共转和转静盘腔进行盘腔内流动以及各物理量的对比；(4)针对外围屏上带去旋喷嘴的径向内流旋转盘腔,模拟了转速比、冷气流量以及旋转雷诺数对盘腔内流动换热的影响。
　　 计算结果表明:盘腔内总压降系数随去旋孔个数的增多而减小,随去旋角的增大而减小。去旋孔个数越少、旋转雷诺数越大、冷气流量越大,则换热效果越强；叶片冷却空气进气孔的出流温度随旋转雷诺数的减小、冷气流量和去旋孔个数的增多而降低；在相同条件下,去旋进气比其他进气方式的盘腔内压力损失要小,冷气出流温度要低。对于对转盘腔而言,转速比对总压降系数影响不大,转静情况下,换热效果最弱。

目录

文摘

英文文摘

图表目录

注释表

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.3 本文的研究意义和主要工作

第二章 数值计算方法

2.1 控制方程

2.2 湍流模型

2.2.1 Standardk-ε湍流模型

2.2.2 RNGk-ε湍流模型

2.2.3 Realizable k-ε湍流模型

2.2.4 S-A湍流模型

2.3 计算方法

2.4 几何参数和气动参数的无量纲化

2.4.1 结构参数无量纲化

2.4.2 流动参数无量纲化

2.5 湍流模型的选取

2.5.1 算例一:去旋共转盘腔

2.5.2 算例二:预旋转静盘腔

2.5.3 算例三:对转盘腔

第三章 转盘上带去旋进气共转盘腔内流动换热的数值模拟

3.1 转盘上带去旋孔的含内隔片的共转盘腔内流动换热的数值模拟

3.1.1 模型说明

3.1.2 网格划分及边界条件

3.1.3 计算工况

3.1.4 计算结果及分析

3.1.5 与预旋转-静盘腔和无切向夹角的共转及转静盘腔的比较

3.1.6 小结

3.2 转盘上带去旋孔的无内隔片的共转盘腔内流动换热的数值模拟

3.2.1 模型说明

3.2.2 计算结果及分析

3.2.3 与预旋转-静盘腔和无切向夹角的共转及转静盘腔的比较

3.2.4 小结

第四章 外围屏上带去旋喷嘴旋转盘腔内流动换热的数值模拟

4.1 模型说明

4.2 网格划分及边界条件

4.3 计算结果及分析

4.3.1 转速比对盘腔内流动和换热的影响

4.3.2 无量纲质量流量对盘腔内流动和换热的影响

4.3.3 旋转雷诺数对盘腔内流动和换热的影响

4.4 小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 建议

参考文献

致谢

在读期间的研究成果及发表的学术论文