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燃气轮机涡旋管式进气滤清器性能研究

作　者: 韩佳
导　师: 孙海鸥
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 轮机工程
关键词: 数值模拟模型实验正交试验二次响应曲面法涡旋管
分类号: TK473
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

燃气轮机对进气质量的要求很高,低质量的空气进入燃气轮机不仅不能保证其正常的工作,还极易给燃气轮机带来不可恢复的损害,因此研制高效的燃气轮机进气滤清器是一项十分重要的任务。涡旋管式进气滤清器是一种轴流导叶式旋风分离器,它是一种相对较新型的轴流旋风分离器,主要用于直升机的进气防护。大多数的直升机涡旋管具有长径比大、阻力系数较高、效率高的特点。国内外对涡旋管研究的公开文献较少,还没有详细考察各结构参数及其参数组合对涡旋管性能综合影响的公开文献。本文从直升机的涡旋管式进气滤清器的结构原理出发,设计了一种小长径比、低阻力、高效率的涡旋管结构。应用正交设计科学合理地设计研究方案,应用数值模拟和实验相结合的方法对所设计的涡旋管进行研究,引入二次响应曲面法对数据进行深入分析。本文主要进行的研究如下：1.轴流导叶式旋风分离器阻力特性数值模拟方法的研究。选取适当的正交表安排不同压力速度耦合算法、湍流模型、离散方法以及压力插值的数值模拟方案,并对已知实验数据的直叶片旋风子进行数值模拟,得到旋风子宏观性能的最佳数值模拟方案,为涡旋管性能的数值模拟研究奠定基础。2.涡旋管性能的数值模拟研究。设计小长径比、低阻力的涡旋管结构,应用正交表安排涡旋管的不同结构参数组合,以数值模拟的方法研究了主要结构参数对涡旋管性能的影响：应用二次响应曲面法对数据深入分析,得到涡旋管的性能参数与无量纲结构参数之间的数学模型,模型复相关系数达到0.98以上,具有较高的拟合精度,为涡旋管的最优化设计提供依据。3.涡旋管的优化设计。利用涡旋管性能的数学模型,考虑阻力和效率的最佳匹配,设计出满足一定要求的,高效率、低阻力的涡旋管,通过数值模拟研究得到最优化涡旋管的阻力和分级效率特性曲线,以及叶片厚度、扫气比对涡旋管性能影响的规律。4.实验研究。制作最优化涡旋管的实验模型,以实验研究方法考察涡旋管的实际阻力和效率性能,阻力实验与数值模拟的平均误差小于5.6%,说明阻力系数的数学模型可以较精确地评估涡旋管自身的阻力性能,进而得到预测轴流导叶式旋风分离器性能的最优数值模拟方法组合：标准k-ε湍流模型,SIMPLE算法,二阶压力插值,二阶迎风离散格式。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-11
第1章绪论  11-19
  1.1 研究背景及意义  11-12
  1.2 燃气轮机旋风分离器简介  12-15
    1.2.1 轴流旋风分离器的基本原理  12-14
    1.2.2 旋风分离器主要性能参数  14-15
  1.3 国内外研究状况  15-16
  1.4 研究方法  16-18
  1.5 论文主要工作  18-19
第2章数值模拟基础  19-27
  2.1 引言  19
  2.2 控制方程  19-22
    2.2.1 气相控制方程  19-20
    2.2.2 颗粒轨迹方程  20-22
  2.3 湍流模型  22-24
    2.3.1 标准k-ε模型  22
    2.3.2 RNG k-ε模型  22-23
    2.3.3 Realizable k-ε模型  23-24
    2.3.4 其他湍流模型简介  24
  2.4 网格划分  24-25
  2.5 压力速度耦合算法及离散方法  25-26
  2.6 本章小结  26-27
第3章直叶片旋风子的数值模拟  27-37
  3.1 引言  27
  3.2 正交试验设计  27-29
    3.2.1 正交试验设计的概述  27
    3.2.2 正交试验设计方案  27-29
  3.3 数值模拟方案的确定  29-32
    3.3.1 模型建立  29-30
    3.3.2 边界条件  30
    3.3.3 网格无关性验证  30-32
  3.4 交试验结果及分析  32-35
  3.5 最优方案的确定  35-36
  3.6 本章小结  36-37
第4章涡旋管性能的数值模拟研究  37-57
  4.1 引言  37
  4.2 数值模拟方案的确定  37-41
    4.2.1 初始模型的建立  37-38
    4.2.2 边界条件  38-40
    4.2.3 网格无关性验证  40-41
  4.3 涡旋管性能研究的正交设计  41-43
    4.3.1 涡旋管性能指标的选取  41
    4.3.2 结构参数及其水平的确定  41-42
    4.3.3 正交表的选取  42-43
  4.4 数值模拟结果及分析  43-49
    4.4.1 正交试验结果及分析  43-44
    4.4.2 典型模型的流场分析  44-49
  4.5 涡旋管性能的数学模型建立  49-56
    4.5.1 响应曲面法  49-50
    4.5.2 二次响应曲面的结果  50-53
    4.5.3 对阻力系数和效率数学模型的分析  53-56
  4.6 本章小结  56-57
第5章涡旋管的优化设计  57-68
  5.1 引言  57
  5.2 优化模型的确定  57-60
    5.2.1 优化条件的限定  57
    5.2.2 结构参数的选取  57-58
    5.2.3 扫气比对模型性能的影响  58
    5.2.4 叶片厚度对涡旋管性能的影响  58-60
  5.3 最优模型的性能研究  60-67
    5.3.1 最优模型的内流场特性分析  60-65
    5.3.2 气动参数对最优模型的性能影响  65-67
  5.4 本章小结  67-68
第6章涡旋管性能的实验研究  68-80
  6.1 引言  68
  6.2 实验方案的确定  68-70
  6.3 涡旋管性能测试系统  70-72
    6.3.1 涡旋管实验台设计  70-71
    6.3.2 主要测量仪器  71-72
  6.4 涡旋管性能实验步骤  72-75
    6.4.1 涡旋管阻力特性实验  72-73
    6.4.2 涡旋管过滤效率实验  73-75
  6.5 实验数据整理及结果分析  75-79
    6.5.1 阻力特性实验数据整理  75-76
    6.5.2 阻力特性实验结果分析  76-78
    6.5.3 过滤效率实验数据整理  78
    6.5.4 效率实验结果分析  78-79
  6.6 本章小结  79-80
结论  80-82
参考文献  82-85
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  85-86
致谢  86

燃气轮机涡旋管式进气滤清器性能研究

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