光滑及带扰流片的叶片内部矩形直通道冷却的数值模拟

摘要

叶片内部通道冷却技术在航空发动机叶片的设计中占有重要的位置.叶片表面温度的降低成为提高航空发动机性能的主要研究方向之一.由于叶片内部通道的复杂性,以及数值计算的研究方法可以克服实验方法的一些限制,该文利用数值计算的方法对叶片内部通道冷却的流动与换热进行研究.通过对简化的通道几何形状的分析以及通道内部流体流动的特征分析,文中建立了三维、不可压缩的紊流物理模型.该文应用有限容积法对控制方程进行离散,利用SIMPLEST算法对控制方程进行求解,对于对流——导热耦合问题采用了整场离散、整场求解的方法.该文对来流雷诺数Re在1×10<'5>-4×10<'5>范围内,主要对光滑壁面矩形直通道、带顺排扰流片矩形直通道、带错排扰流片矩形直通道、带7°倾斜角扰流片矩形直通道和带15°倾斜角扰流片矩形直通道五种形式通道内部的流动与换热进行了研究.通过改变通道入口冷空气的速度来改变入口雷诺数,得出各种通道内部的压力场、壁面温度场以及速度场.通过对各种不同形式通道计算结果的比较分析,可以看出:提高流体的入口雷诺数,可以加强换热,有效的降低壁面温度;扰流片的存在可以增强扰流,加强换热;带倾斜角扰流片通道的换热性能大大加强.在相同入口雷诺数的情况下,带倾斜扰流片通道的换热性能是错排扰流片通道的2.6倍,光滑壁面通道的6.6倍.根据计算得出的数据,拟合出了该文所研究的通道的入口雷诺数Re与平均努塞尔数Nu和入口雷诺数Re与摩擦系数f之间的关系式.

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1课题的研究意义和应用价值

1.2发动机叶片冷却技术概述

1.2.1叶片内部冷却的实验研究

1.2.2叶片内部冷却的数值研究

1.3本文的研究内容与特色

2叶片内部通道冷却的模型及控制方程

2.1几何模型的建立

2.2物理模型的建立

2.3叶片内部通道冷却控制方程的建立

2.3.1拉格朗日法和欧拉法

2.3.2系统和控制体

2.3.3微分形式的连续性方程

2.3.4微分形式的动量方程

2.3.5微分形式的能量方程

2.3.6微分形式的湍流方程

2.3.7状态方程

2.4本章小结

3控制方程的离散及求解

3.1控制方程的离散

3.1.1计算区域的离散

3.1.2控制方程的离散

3.1.3边界条件的处理

3.2控制方程的求解

3.2.1 SIMPLEST算法求解叶片内部通道冷却的速度压力耦合问题

3.2.2速度与压力修正值的处理

3.2.3耦合问题的数值解法

3.3本章小结

4光滑壁面矩形通道的数值计算结果分析

4.1几何形状及网格的划分

4.2边界条件

4.3计算公式

4.4计算结果与分析

4.5本章小结

5带顺排和错排扰流片矩形直通道的数值计算结果分析

5.1几何形状及网格划分

5.2边界条件

5.3计算结果与分析

5.3.1带顺排扰流片通道的计算结果与分析

5.3.2带错排扰流片通道的计算结果与分析

5.4本章小结

6带倾斜扰流片的矩形直通道的计算及分析

6.1几何形状及网格划分

6.2边界条件

6.3计算结果与分析

6.3.1扰流片倾斜角为7°的通道计算结果与分析

6.3.2扰流片倾斜角为15°的通道计算结果与分析

6.4本章小结

7结论与展

7.1结论

7.2展望

参考文献

致谢

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