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高性能涡轮叶栅非定常流动性能分析

作　者: 李松
导　师: 郑群
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 轮机工程
关键词: 非定常流动高性能涡轮数值模拟
分类号: TK14
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

三维、粘性、非定常是叶轮机械内部实际流动的固有特性,非定常特性对叶轮机械内部流动的热功转换具有重要影响,因此研究其内部叶栅的非定常干扰对于改善高负荷涡轮的性能具有重要意义,对非定常特性的认识和研究直接关系到叶轮机械的发展。本文采用区域缩放法、结构化网格、双时间步法、标准k-epsilon湍流模型以及滑移界面法对某高性能涡轮级进行了数值模拟,并分析了涡轮级内的三维非定常流动。传统的叶轮机械设计方法已取得了很大的成功。这些设计和分析方法中引入了一个重要假设,即动叶和静叶都是在相对定常环境下工作。由于在高负荷以及偏离设计工况情况下,忽略非定常流的影响,采用定常假设作出的工程设计并不完全可靠,偏差较大因此涡轮级内的非定常流场数值模拟是现阶段计算流体力学研究的重要领域。本文通过对叶轮机内非定常流动的研究,详细讨论了叶排间干扰对涡轮级气动性能的影响。涡轮级内常见的非定常现象包括：激波、尾迹、脱落涡、壁角涡、通道涡以及泄露涡等。在每个静叶通道内可以观察到周期性的流动。在跨音速工况下,涡轮级静叶尾缘会出现激波,该激波会对下游动叶通道内的流动产生周期性的影响。该涡轮级内的涡运动包括：静叶叶片尾缘附面层引起的脱落涡；根脚区两个端壁附面层相互干扰形成的壁角涡；动叶通道内转子旋转运动产生的通道涡；存在叶尖漏流时出现的泄露涡。在定常和非定常模拟中,均可观察到同样形式的顶部泄漏涡。本文对上游尾迹与涡轮叶栅通道涡的相互作用机理进行了分析,探讨了非定常流动物理本质,发掘非定常流的潜力,为发展非定常设计手段提供思路。数值计算表明：上游尾迹的非定常作用一方面增强了叶栅通道涡,使得流动损失增大；另一方面能够一定程度上抑制通道涡沿着流动方向的发展,对控制损失起到正面作用,端区的综合非定常效应取决于两者之间的平衡。本文数值模拟使用的是商业计算流体力学软件Ansys-CFX,通过数值模拟可对高性能涡轮级内的非定常流动有定性的了解,数值模拟的结果可为涡轮级的非定常优化以及设计提供一定的参考。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-22
  1.1 本课题的研究背景及意义  11-13
  1.2 叶轮机械非定常流动  13-18
    1.2.1 固有非定常问题  15-16
    1.2.2 条件非定常问题  16-18
  1.3 叶轮机械非定常流动研究进展  18-21
    1.3.1 研究方法  18-19
    1.3.2 国内外叶轮机械非定常流动研究进展  19-21
  1.4 本文的主要工作  21-22
第2章非定常流场的数值模拟方法  22-38
  2.1 引言  22
  2.2 Ansys-CFX软件简介  22-23
  2.3 Computational Fluid Dynamics数值计算理论  23-32
    2.3.1 控制方程  23-24
    2.3.2 湍流模型  24-27
    2.3.3 计算域交界面的处理方法  27-31
    2.3.4 计算域交界面的网格连接方式  31
    2.3.5 计算模型的网格划分  31-32
  2.4 计算机硬件资源  32-33
  2.5 初始流场与边界条件的给定  33-34
  2.6 滑移界面模型简介  34-35
  2.7 数据处理公式的定义  35-36
  2.8 数值计算结果验证  36
  2.9 计算收敛准则  36-37
  2.10 本章小结  37-38
第3章跨音速涡轮级非定常流动机理研究  38-63
  3.1 跨音速涡轮物理模型简述  38-39
  3.2 网格划分和时间步长的选择  39-42
    3.2.1 计算网格的划分  39-41
    3.2.2 时间步长的选择  41-42
    3.2.3 求解方法  42
  3.3 数值模拟的结果与分析  42-61
    3.3.1 数值模拟与实验数据的对比确认  42-44
    3.3.2 定常与非定常时均结果对比  44-46
    3.3.3 尾迹对下游动叶的非定常作用  46-48
    3.3.4 转子通道扰动速度矢量分析  48-49
    3.3.5 转子通道相对马赫数和总压损失系数分布  49-51
    3.3.6 动叶进口截面熵增和涡量分布云图  51-53
    3.3.7 静叶通道跨音速区对下游动叶的非定常作用  53-54
    3.3.8 不同叶高的相对马赫数分布云图  54-55
    3.3.9 转子通道嫡增和涡量分布云图  55-57
    3.3.10 动叶吸力面上的极限流线分布  57-58
    3.3.11 不同时刻动叶叶尖间隙处流线分布  58-59
    3.3.12 不同时刻叶片壁面静压分布曲线  59-61
    3.3.13 涡轮级出口气流角分布  61
  3.4 本章小结  61-63
第4章亚音速涡轮级非定常流动机理研究  63-76
  4.1 引言  63
  4.2 亚音速涡轮物理模型简述  63
  4.3 网格划分和时间步长的选择  63-65
    4.3.1 计算网格的划分  63-65
  4.4 亚音速涡轮叶栅非定常计算结果与分析  65-74
    4.4.1 计算结果的对比确认  65
    4.4.2 不同叶高S1流面相对马赫数分布云图  65-67
    4.4.3 设计工况S1流面相对马赫数分布云图  67-68
    4.4.4 设计工况S1流面的熵增分布云图  68-70
    4.4.5 转子通道扰动速度矢量分析  70-71
    4.4.6 动叶吸力面上的极限流线分布  71-73
    4.4.7 涡轮级非定常等熵效率的分析  73-74
    4.4.8 涡轮级出口气流角分布  74
  4.5 本章小结  74-76
总结与展望  76-79
  总结  76-77
  展望  77-79
参考文献  79-83
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  83-84
致谢  84

高性能涡轮叶栅非定常流动性能分析

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