低雷诺数涡轮气热耦合数值仿真研究

作     者：霍鑫睿 

作者单位：中北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王强;张俊跃

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 082502[工学-航空宇航推进理论与工程] 0825[工学-航空宇航科学与技术] 

主      题：气热耦合 低雷诺数 涡轮 湍流 转捩 

摘      要：随着涡轮性能的不断提升,涡轮叶片的气动负荷不断增加,吸力面边界层厚度随之增大,极易发生流动分离;当飞机处于高空巡航状态时,涡轮在低雷诺数环境下进行工作,涡轮内部流动情况更为复杂;对低雷诺数条件下涡轮内部流场与温度场进行准确预测极为重要。随着计算流体力学的不断发展,气热耦合数值仿真技术已成为涡轮设计的重要工具。本文对高压涡轮导叶进行气热耦合数值仿真计算,并在低雷诺数条件下对涡轮内流场及温度场的影响进行仿真预测。(1)本文以带有径向冷却通道的NASA-MarkⅡ型高压涡轮导叶为研究对象,建立数值仿真计算模型,采用几种不同的湍流模型及转捩模型对叶片进行气热耦合数值仿真计算。结果表明:使用转捩模型的气热耦合数值计算结果与实验结果吻合较好。对不同湍流模型下叶片进行气热耦合数值仿真模拟计算,得出不同湍流模型下叶片表面压力的计算结果基本一致;但由于高雷诺数Standard k-ε模型与RNG k-ε模型对叶片壁面边界层流动的模拟精度不足,采用高雷诺数湍流模型模拟计算所得的温度比实验高,无量纲化叶片中径截面壁面温度最大相差0.175,绝对温度相差约142K,误差较大;叶片表面换热系数误差也相对较大。使用转捩模型可以预测边界层内转捩的产生,计算结果与实验吻合较好,精度较高;(2)针对低雷诺数工况下,雷诺数改变对高压涡轮导叶表面流动、传热影响极为显著的问题,本文通过成比例调整进口总压与出口静压的方式来达到改变雷诺数的目的,并设计12组工况模拟计算分析。结果表明:随着雷诺数的改变,叶片压力面流体的流动状态并无明显变化,而在叶片吸力面,随着雷诺数的增加叶片壁面流动分离区逐渐缩小至近乎消失不见。当雷诺数改变时,叶片表面静压系数基本不变;在雷诺数Re=1.9×10到Re=5.8×10范围内,随着雷诺数的增加,叶片表面温度总体呈现下降趋势,换热系数逐渐增加,壁面无量纲化剪切应力不断增大;(3)研究了进口湍流度对涡轮流动与换热的影响,在低雷诺数条件下,设计5组不同主流进口湍流度工况,分别进行气热耦合数值仿真计算,结果表明在所计算的范围内,主流进口湍流强度对涡轮导叶的流动与传热影响不大;设计6组不同冷流入口湍流强度工况进行气热耦合数值仿真计算,结果表明:冷流进口湍流强度Tu=1%时叶片表面温度过高,冷流进口湍流强度大于Tu=3.2%时,叶片表面温度降低,且随着湍流强度的增加叶片表面温度基本不变;(4)研究壁面粗糙度对涡轮流动与换热的影响,在低雷诺数条件下,设计5组不同壁面粗糙度工况及光滑壁面对涡轮导叶进行气热耦合数值仿真计算。结果表明,光滑壁面条件下叶片表面温度最低,且随着壁面粗糙度的增加,叶片表面温度逐渐升高。