变冷气流量和温度对叶栅性能影响的试验研究与数值模拟

论文摘要

随着涡轮进口温度的提高,采用高效气膜冷却降低叶片表面温度成为涡轮设计的主要目标之一。本课题使用叶片叶背和前缘各有一排气膜孔的涡轮叶栅试验件,在中航工业燃气涡轮研究院的高速风洞中进行了一系列带冷气涡轮叶栅试验研究。试验录取了不同叶栅流动状态时不同冷气流量、不同冷气喷射位置、不同冷气温度对叶栅流动损失和气流角影响的试验数据。结果表明冷气流量对能量损失有较大影响,而对出口气流角影响不大;冷气温度的变化对能量损失和出口气流角影响不大;前缘喷射时冷气的作用限于边界层内,在叶背喷射时冷气会带来较大的掺混损失,同时易造成边界层的分离。采用CFD软件对上述试验结果进行了详细的数值模拟比较,数值模拟结果与试验结果基本一致。对比分析了不同网格数（5万、12万、20万、35万、50万）、不同网格结构（网格出口距叶片尾缘0.5t、1.0t、1.5t）、不同湍流模型（k-ε模型、k-εRNG模型、k-ωSST模型）、不同边界处理方法和不同离散误差等对三维数值模拟精度的影响,研究冷气掺混的处理方法。根据试验结果完善和校核气冷涡轮的数值模拟方法,发展完善了一套经过试验验证的、工程适用的带冷气掺混的全三维流场分析工具。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 应用背景
• 1.2 国内外研究历史和现状
• 1.3 本文主要的研究内容和目标
• 1.4 目的与意义
• 第二章 试验研究
• 2.1 试验件简介
• 2.2 试验设备简介
• 2.3 试验研究内容
• 2.4 试验测试方法
• 2.5 试验数据处理
• 2.6 本章小结
• 第三章 试验结果与分析
• 3.1 变冷气流量研究
• 3.1.1 对叶片表面等熵马赫数的影响
• 3.1.2 对叶栅能量损失系数的影响
• 3.1.3 对叶栅出口气流角的影响
• 3.2 变冷气温度研究
• 3.2.1 对叶片表面等熵马赫数的影响
• 3.2.2 对叶栅能量损失系数的影响
• 3.2.3 对叶栅出口气流角的影响
• 3.3 变冷气喷射位置研究
• 3.4 变攻角特性研究
• 3.5 本章小结
• 第四章 数值模拟研究
• 4.1 数值模拟方法简介
• 4.2 数值模拟软件简介
• 4.2.1 网格生成软件
• 4.2.2 流场计算软件
• 4.3 湍流模型
• 4.4 边界条件
• 4.5 计算结果分析
• 4.5.1 前缘冷气喷射
• 4.5.2 叶背冷气喷射
• 4.5.3 变冷气流量研究
• 4.5.4 变冷气温度研究
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 研究总结
• 5.2 应用价值
• 5.3 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间取得的研究成果