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非定常尾迹对动叶传热特性影响的数值分析

作　者: 王梅丽
导　师: 郭婷婷
学　校: 东北电力大学
专　业: 热能工程
关键词: 非定常尾迹频谱分析数值模拟流场传热
分类号: TK124
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

燃气透平中引起不稳定流的主要因素之一为来自上游静叶的尾迹传播,静叶尾迹使得自由流产生周期变化的不稳定速度、温度,进而影响下游动叶冷却流场及传热,因此对非定常尾迹进行研究对优化叶片冷却设计具有深远的意义。本文采用SST k-ω紊流模型,在SIMPLE算法基础上,利用有限体积法对控制方程进行离散。首先对无气膜孔条件下叶栅内静叶尾迹非定常特性进行数值模拟,通过对非定常尾迹的频谱分析,确定了尾迹涡的脱落频率,并从能量损失角度分析了不同轴向间距、不同转速条件下非定常尾迹对下游动叶周围流场以及传热的影响,同时分析了不同叶高、不同时刻非定常尾迹对动叶流场和传热的影响,结果表明:随着轴向间距的增加,尾迹涡脱落频率差异不大,但是功率谱能量逐渐减小,这意味着随着间距的增大,动叶流场中能量损失逐渐减小,同时随着间距的增大,叶片周围流场的轴向不均匀性逐渐减弱,叶片压力面头部的传热系数逐渐减小;随着转速的增加,尾迹涡脱落频率越来越大,功率谱能量峰值也较大,同时动叶表面流场熵值逐渐增加,这说明了随着转速的增加,离心力作用增强导致尾迹涡在流场中扰动更加强烈,能量损失也就越大。其次本文对前缘三排气膜孔情况下的静叶尾迹非定常特性对动叶气膜冷却的影响进行了数值模拟,研究了尾迹的非定常特性,并通过频谱分析了尾迹涡的脱落频谱,同时从能量损失角度对不同吹风比下、不同转速下非定常尾迹对动叶周围流场及传热的影响进行了分析,结果表明:随着射流比的增加,尾迹涡脱落频率差异不大,随着射流比的增加,出流动量变大,流体拥有足够的刚性,同时由于射流本身能够增强换热特性,因此孔后有较好的换热效果;随着转速的增加,尾迹涡脱落频率逐渐增大,同时能量损失也较大,转速的增加,致使射流孔的出射方向发生偏移,沿着射流的出射方向,换热系数逐渐增强。由于尾迹的扫射作用,致使第一排孔的出流方向沿着动叶顶部偏离,同时尾迹的作用也加强了湍流强度提高了换热系数。

全文目录

摘要  6-8
Abstract  8-13
主要符号表  13-15
第1章绪论  15-23
  1.1 课题的研究背景和意义  15-17
    1.1.1 课题研究的背景  15-16
    1.1.2 课题研究的意义  16-17
  1.2 气膜冷却的研究现状  17-21
    1.2.1 静叶气膜冷却研究现状  17-18
    1.2.2 动叶气膜冷却研究现状  18-20
    1.2.3 非定常尾迹对动叶气膜冷却影响的研究现状  20-21
  1.3 课题的主要研究内容  21-23
第2章数值模型与数值计算方法  23-35
  2.1 基本控制方程  23-26
    2.1.1 通用控制方程  23
    2.1.2 旋转工况流动与换热基本理论  23-26
  2.2 紊流模型  26-30
    2.2.1 标准k-ω算法  26-27
    2.2.2 SST k-ω算法  27-30
  2.3 计算方法  30-33
    2.3.1 SIMPLE 算法  30
    2.3.2 有限容积法  30-31
    2.3.3 二阶迎风格式  31
    2.3.4 松弛技术  31
    2.3.5 计算的收敛  31-32
    2.3.6 网格无关性的讨论  32-33
  2.4 频谱方法  33-35
第3章静叶尾迹对下游动叶非定常影响的数值研究  35-53
  3.1 计算方法与几何模型  35-37
    3.1.1 叶片的几何尺寸  35-36
    3.1.2 叶栅通道几何模型  36
    3.1.3 计算方法  36-37
    3.1.4 网格划分  37
  3.2 边界条件  37-38
  3.3 数值模拟的结果与分析  38-50
    3.3.1 不同轴向间距静叶尾迹的非定常特性分析  38-41
    3.3.2 不同轴向间距静叶非定常尾迹对动叶的影响  41-43
    3.3.3 不同转速静叶尾迹的非定常特性分析  43-45
    3.3.4 不同转速静叶非定常尾迹对动叶静压的影响  45-47
    3.3.5 不同时刻静叶尾迹对动叶的影响  47-49
    3.3.6 不同叶高静叶尾迹的对动叶周围流场的影响  49-50
  3.4 本章小结  50-53
第4章非定常尾迹作用下气膜冷却流场与传热的数值研究  53-72
  4.1 计算方法与几何模型  53-55
    4.1.1 动静叶栅相对位置与动叶前缘气膜孔几何位置  53-54
    4.1.2 叶栅通道几何模型  54-55
    4.1.3 网格划分  55
  4.2 边界条件  55-56
  4.3 数值模拟的结果与分析  56-70
    4.3.1 有气膜孔时不同吹风比静叶尾迹的非定常特性分析  56-58
    4.3.2 有气膜孔时不同吹风比下非定常尾迹对动叶气膜冷却的影响  58-62
    4.3.3 有气膜孔时不同转速静叶尾迹的非定常特性分析  62-64
    4.3.4 有气膜孔时不同转速下非定常尾迹对动叶气膜冷却的影响  64-67
    4.3.5 不同时刻静叶尾迹对动叶气膜冷却的影响  67-70
  4.4 本章小结  70-72
结论  72-74
参考文献  74-78
攻读硕士期间取得的成果及发表的论文  78-79
致谢  79

非定常尾迹对动叶传热特性影响的数值分析

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