（轮机工程专业论文）双尾缘叶片尾部冷气对涡轮性能影响的研究.pdf

、 - l 嚏 b r c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o rt h e d e g r e eo fm e n g p e r f o r m a n c er e s e a r c ha b o u td o u b l e t r a i l i n ge d g eb l a d et u r b i n e c o n s i d e r i n g t a i lc o o l i n ga i r c a n d i d a t e ：w a n gj i a n b i n g s u p e r v is o r ：r e s e a r c h e r l i ux u e y i a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：m a r i n ee n g i n e e r i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：j a n u a r y ，2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：王孽软 日期： 为0 年弓月f 饵 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 晚授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口解 密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：丑j 壅六导师( 签字) ：洲。孑义 日期： 为f o 年3 月心日叫p 年3 月心日 哈尔滨工程大学硕十学位论文 摘要 涡轮是燃气轮机的主要部件，其功用是将来自燃烧室的高温、高压燃气 中的部分热能和压力能转换成机械功。船舶燃气轮机的特点为功率大、燃气 温度高、转速高、效率高，提高涡轮进口温度，对于改善涡轮的效率起到至 关重要的作用。对燃气涡轮的核心部件即叶片采取冷却技术，能够大大的降 低叶片的工作温度，相应的提升了涡轮的效率，同时又延长其使用寿命。涡 轮高温冷却叶片的数值模拟和性能优化一直是国内外叶轮机械气动热力学领 域关注的重点。 本文在某型船用燃气轮机高压涡轮一级动叶原型的基础上，对其进行简 化，以叶身为主体，根据图纸设计出适合数值模拟的物理模型，最后建立了 计算模型。利用计算流体力学商业软件，数值模拟了原始冷气流量设计情况 下的涡轮内部流场，将按照原型计算得到的流场与部分已知参数相比较，调 整计算参数设置，尽量使得数值仿真计算得到最优结果，以便实现数值研究 的目的。 最后探索了采用何种湍流模型能够最为真实的模拟出冷气喷射流场，对 不同冷气量的方案分别进行数值模拟。得到结论：内冷却气体从双尾缘叶片 尾部喷出后，冷气与两个尾缘处附面层形成的尾迹掺混，并且此时这种掺混 占据主导地位。经过一段距离后，高温燃气主流与尾迹的掺混又成为主要因 素，直至混合均匀；采用冷气喷射时，尾部流场的总压损失有所降低，射流 对低速气团有所补偿；冷气对叶片尾部出口气流角的影响较大；原设计的冷 气喷射量有利于叶片尾部的冷却，再次验证了原始设计方案的合理性。 关键词：高压涡轮；双尾缘叶片；冷气掺混；数值模拟 哈尔滨工程大学硕七学位论文 a b s t r a c t t u r b i n ei sam a i nc o m p o n e n to fa g a st u r b i n ee n g i n e ，b yw h i c hp a r to ft h et h e r m a l e n e r g yi n t h e h i g h t e m p e r a t u r ea n dh i g h - p r e s s u r eg a sf r o mt h ec o m b u s t i o n c h a m b e r , c a nb ec o n v e r t e dt ot h em e c h a n i c a lk i n e t i ce n e r g y am a r i n eg a st u r b i n e i sc h a r a c t e r i z e dw i t hh i g hp o w e r ，h i g ht e m p e r a t u r e ，h i g hr o t a t i n gs p e e da n dh i g h e f f i c i e n c y ，a sw e l la ss i z ea n dw e i g h tr e s t r i c t e db ys t r i c tr u l e s u s i n gc o o l i n g t e c h n o l o g yo nt h ec o r ec o m p o n e n to fg a st u r b i n e ，c a nr e d u c et h ew o r k i n g t e m p e r a t u r eo fb l a d e ，i n c r e a s et h ew o r k i n ge f f i c i e n c yo ft u r b i n ea n de x t e n d w o r k i n gl i f e o fb l a d e f o rt h e s e y e a r s ，s c h o l a r si na e r o d y n a m i c sf i e l dh a v e a t t a c h e dg r e a ti m p o r t a n c eo nn u m e r i c a ls i m u l m i o na n dp e r f o r m a n c eo p t i m i z m i o n f o rh i g h t e m p e r a t u r ec o o l i n gb l a d et u r b i n e b a s e do nt h eo r i g i n a lm o d e lo ft h e t u r b i n e ，s i m p l i f i e dt h em o d e la n d f i r s t s t a g ei nas t y l em a r i n eh i g h - p r e s s u r eg a s d e s i g n e dap h y s i c a lm o d e la c c o r d i n gt ot h e d r a w i n g ，w h i c h i ss u i t a b l ef o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a n dt h e n e s t a b l i s h e d c a l c u l a t i o nm o d e l u s i n gc f db u s i n e s ss o f t w a r et on u m e r i c a ls i m u l a t et h et u r b i n e f l o wf i e l dw i t hd i f f e r e n tc o o l i n ga i rf l o w c o m p a r e dt h er e s u l tt ok n o w nd a t ea n d a d j u s t e dc a l c u l a t i o ns e t t i n gi no r d e rt og e tt h eb e s tr e s u l ta n dr e a l i z et h er e s e a r c h p u r p o s e e x p l o r et h eo p t i m a lt u r b u l e n c em o d e lw h i c hc a ns i m u l a t eaw e l lc o o l i n ga i rie t f l o wf i e l da n dn u m e r i c a ls i m u l a t ef l o wf i e l d so fd i f f e r e n t c o o l i n ga i rf l o w c o n c l u s i o n ：c o o l i n ga i rc o m e so u tf r o md o u b l et r a i l i n ge d g eb l a d e ，a n dm i x sw i t h t w ot a i l s n e a r b yb l a d et r a i l i n ge d g e o v e ras h o r td i s t a n c e ，t h em i x i n go f h i g h 。t e m p e r a t u r eg a sw i t hl o we n e r g yt r a i li st h em a i nf a c t o ru n t i lt h e ym i xf u l l y ； c o o l i n ga i rd e c r e a s e st h el o s so ft o t a lp r e s s u r ei nt a i lf l o wf i e l d ；c o o l i n ga i rh a sa 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 h u g ei n f l u e n c et ot h ee x p o r ta i rf l o wa n g l e ；o r i g i n a ld e s i g no fc o o l i n ga i r i n j e c t i o nh a saw e l le f f e c tt ob l a d et a i la n dp r o v e dt h er a t i o n a l i t yo ft h ed e s i g n k e yw o r d s ：h i g h p r e s s u r et u r b i n e ；d o u b l e - t r a i l i n ge d g eb l a d e ；c o o l i n ga i rm i x i n g ； n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 哈尔滨工程大学硕十学位论文 目录 第1 章绪论l 1 1 选题背景及意义l 1 1 1 背景l 1 1 2 课题研究的意义2 1 2 冷却技术以及气体掺混的研究进展3 1 3c f d 技术及f l u e n t6 3 的介绍7 1 4 本文所做的工作9 第2 章数值模拟理论与计算方法1 1 2 1 控制方程1 1 2 2 控制方程的离散1 4 2 3 湍流模型15 2 3 1 标准k 一占模型1 9 2 3 2 标准k c o 模型2 1 2 3 3s s t k 一缈模型2 1 2 4 边界条件2 2 2 5 非结构网格的s i m p l e 算法2 3 2 6 本章小结_ 2 7 第3 章双尾缘喷气模型的数值模拟2 8 3 1 物理模型2 8 3 1 1 叶片造型及其简化2 8 3 1 2 计算域的建立3 0 3 1 3 计算域网格的划分3 1 3 1 4 边界条件的设置3 3 3 2 喷气模型数值模拟3 4 3 2 1 总压分布3 4 3 2 2 温度场分布3 7 3 2 3 速度场分布。4 1 哈尔滨下程大学硕十学位论文 3 2 4 密度场分布4 4 3 3 本章小结4 6 第4 章冷却气体对尾部流场的影响4 7 4 1 概述4 7 4 2 冷气对尾部总压的影响4 7 4 3 冷气对尾部速度场的影响51 4 4 冷气对尾部气流角的影响5 5 4 5 叶片尾部的冷却效果5 7 4 6 本章小结5 9 结论6 0 参考文献6 2 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果6 6 致 射6 7 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 1 1 选题背景及意义 1 1 1 背景 第1 章绪论 燃气轮机是一种连续回转的内燃、叶轮机械式的新型动力装置。由于其 具有单机比功率大、体积小、重量轻、启动快、运行维护方便，辅机和系统 简单等优点，因此在航天、船舶以及电力等领域已经得到了广泛的应用。 燃气轮机的做功效率与涡轮进口燃气温度的高低有着密切的联系，提高 燃气初温可以增大燃机的效率。由于受到零件材料的耐温性限制，燃气初温 不可能过高，依照目前材料科学的发展，涡轮进口温度一般可以高出涡轮材 质耐热极限3 0 0 c 左右。因此，我们在致力于提高涡轮部件耐高温性的同时， 研究涡轮冷却技术也很关键。先进合理的冷却方案，可以大大提高涡轮高温 部件的使用寿命。目前用于涡轮高温部件的冷却技术主要有气膜冷却、发散 冷却、冲击冷却和扰动冷却等。 气膜冷却技术是在涡轮叶片上使用较多，其基本原理是：冷却空气从叶 片端部进入叶片内部，通过叶身壁面上的小孔流出，在顺着燃气方向的叶片 外壁处，形成一层冷空气薄膜，使叶片外壁面与高温燃气隔离，从而达到冷 却的目的。气膜冷却示意图如图1 1 所示，其冷却效果比单独使用其它冷却 方式要好很多，一般可降低4 0 0 - - - , 6 0 0 。 燃气和冷气相互掺混 冷气在涡轮叶片外表 面形成薄膜保护层 图1 1 气膜冷却示意图 l 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 发散冷却技术是指，中空叶片用疏松多孔透气材料制成时，叶片内冷却 空气会透过叶片壁面上的无数小孔渗出，在带出壁面大量热量的同时，又在 叶片表面形成薄薄的气膜，起到隔热冷却的效果。由于冷却空气透过多孔壁 流动时与壁面充分接触，生成的气膜质量好，可达到5 0 0 - - - , 8 0 0 的冷却效果。 但是其缺点也很明显，例如多孔材料氧化后极易堵塞，材料在高温下强度的 下降，这些仍需做大量的研究。 冲击冷却技术常用于高温部件内部，使用高速冷气流冲刷冷却部位，带 走外部热量，降低工作温度。它一般是通过在高温部件上安排射流结构的方 式来实现的。缺点是削弱了部件的结构强度，压力损失大，容易使高温部件 的温度梯度增大，带来热应力。 扰动冷却技术也多应用于高温部件内部，通过冷却通道里的冷气带走部 件的热量，达到冷却效果。缺点是通过增大冷气流量来提高冷却效果，势必 影响发动机的效率。同时内外温差引起热应力，降低高温部件的工作强度n 1 。 以上几种冷却方式，在不同部件上各有各的优势，目前叶片冷却上使用 较多的是气膜冷却技术。但是不管采用何种冷却方案，冷气或多或少都会进 入主流，与高能量燃气掺混，因此研究其掺混原理很有必要。 1 1 2 课题研究的意义 燃气轮机涡轮叶片采用冷却技术之后确实能带来不错的冷却效果，而且 涡轮叶片尾缘也是影响叶片寿命的重要部位，就其气体动力学特性来说，已 经很薄了，所以此部位不能采用内流道对流冷却方式，如果使用尾部开孔喷 射冷气的设计，能在保证叶片尾部结构强度的前提下，起到很好的冷却效果。 冷气喷出后同时也带来一定的负面影响，冷却空气流喷入主流后会使燃气的 动能和总压降低，从而降低了燃气涡轮的有效功，增加了涡轮的气动损失， 降低了效率。并且冷却气流与燃气主流掺混后，对涡轮尾部流场产生干扰， 增加了内部流场的复杂程度。因此在保证冷却效果的前提下，尽量减少气流 损失是目前各国专家研究的重点。由于涡轮内部流场及其复杂，所以关于冷 2 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 却气体对涡轮性能影响的理论研究并不多，掺混机理研究也不透彻。 本文使用双尾缘叶片模型，通过数值模拟的方式，建立了相对精确的冷 气喷射模型，初步研究了双尾缘冷气流对尾迹区域流场的影响，可以为研究 涡轮内部冷气与主流掺混机理提供一定的数据参考，同时也可以为叶片冷却 技术的研究以及冷却方案的开发提供一定的科学理论依据。 1 2 冷却技术以及气体掺混的研究进展 涡轮冷却技术的研究起始于上个世纪四十年代。随着科技的不断进步和 应用要求，每年涡轮进口温度增加2 0 度至3 0 度，而各国科研人员也认识到 涡轮冷却技术的重要性，同时在气冷涡轮的设计以及冷气带来的损失方面已 经做了大量的工作。冷气进入主流的方式一般有两种：一是通过高温叶片的 压力面或者吸力面上的气膜孔射入燃气主流；二是从叶片尾部喷入主流与其 掺混。 对于冷却气体通过气膜孔的情况，由于冷气在叶片表面形成气膜保护， 加厚了其表面边界层，也增加了尾迹宽度，增大了流动损失。叶片表面冷却 孔的大小、方向、排列以及开孔位置等参数对掺混过程也有很大影响。 英国罗罗公司和美国n a s a l e w i s 研究中心针对单、多排孔冷气喷射 时冷气量，喷孔位置、不同孔径以及不同的喷气角度对气动损失的影响。比 如，j o h nf k l i n e p l 等人对不同孔径和喷射角做了实验研究，得出结论：孔径 越大，流动损失越j , 、i 在相同的倾斜角下，复合角越大，流动损失越小；没 有复合角时，倾斜角越大，流动损失越大。h e r m a n w p m s t j r t 1 对多排气膜 孔的气动损失进行了实验研究，得出结论：单排气膜孔冷气喷射时，主流效 率主要取决于冷气量和气膜孔的位置；冷气流量一定时，气膜孔排数越多， 主流效率越低；对于全气膜冷却，主流效率随冷气量的增加而提高。 a g h e n l y 、a t h o l m e s 等1 编制了以“混合层”理论为基础的计算程序， 来预测气膜冷却对叶片流动损失的影响，发现只有比较精准的知道冷气射入 主流的射流参数，才能科学合理的模拟冷气喷射对涡轮叶片气动损失的影响。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 m d m a n i c k a m 和k m u r u g e p l 在遵守主流与射流动量守恒原理的条件下， 研究了涡轮叶片吸力面上带有离散斜孔喷射的情况，得出：喷射孔的位置和 冷气射流的分布对气动损失的变化起到至关重要的作用；尾迹形状的变化影 响气动损失的变化，冷气喷射不改变气流的转折角；具有很强的二次流的叶 片端壁处，其气动损失与喷射无关。 t a b a k o f f 和h a m e d n 叫u 通过改变叶片压力面、吸力面、尾缘喷射孔位置 及角度，实验研究了冷气喷射对气动损失的影响。得出：当质量流量比大于 0 6 ，尾缘喷射带来的总压损失很小。m a c m a r t i n 和n o r b u r y 【1 2 1 对一个6 通道 平面叶栅进行实验测量尾部喷射损失，实验使用的涡轮叶片轴向弦长为 7 6 2 m m ，出口马赫数为1 2 ，冷却气体采用空气，冷气流量为主流通道的6 ， 针对简单的无粘模型对实验结果做出分析，结论是流动损失远超预测值。 曾文演等n 3 1 针对涡轮平面叶栅，在不同的主流雷诺数下，用各种不同的 喷气方式和不同的流量比喷气，研究了型面压力分布及出口流场参数的变化。 得出：喷气对叶片表面的静压分布影响很小，只是对气膜孔附近的压力影响 较大，压力面喷气带来的变化相对于吸力面带来的变化略小。增加马赫数， 在冷气流量比相同条件下总压降低；马赫数相同时，冷气流量比增大，叶片 吸力面和压力面冷气喷射带来的总压变化不同。 刘高文和刘松龄4 1 实验研究了入射角对涡轮叶栅端壁气膜冷却的气动影 响。研究表明减小入射角会使壁面附近的气流速度增大，不利于端壁的冷却。 减小入射角可以减小通道涡的强度和尺寸，使射流核心更贴近端壁面，有利 于冷气在壁面上形成保护气膜。在高速射流比下，3 5 0 入射射流将冷气输运到 压力面的能力比2 5 0 入射和4 5 0 入射要强。 对于冷气从叶片尾部喷入主流与其掺混，国内外学者也做了大量的研究。 v o nk a r m a n 研究院的s i e v e r d i n g 卵等深入研究了跨音速涡轮叶栅后缘冷 气喷射带来的基压变化。他先研究了跨音速涡轮叶栅压力分布轮廓的平板后 缘流动问题，重点关注有限载荷情况，这时后缘激波正好不能到达临近叶片 后缘，因此在叶片吸力面无激波和边界层的干扰。s i e v e r d i n g t 6 j 分别进行了后 4 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 缘冷气喷射情况下单个直翼型以及五通道叶栅的研究，冷气流量比最大达到 4 。实验结果表明，冷却气体开始会增大基压，然后降低，最大基压大于无 冷气时的基压，但是其变化很小。 德国宇航院的k a p t e i j n ”1 等在一个具有7 通道的进口导向叶片叶栅上研 究了两种不同后缘冷气结构：后缘喷射结构和后缘压力面喷射。分别应用空 气和二氧化碳作为冷气，流量比最大达到4 。研究结果表明，这两种喷射 结构对基压的影响都不大，但是压力面的冷气喷射方式产生明显的流动损失， 也产生了很大的气流转折角。 r a j e n d r a n 等人【吲利用大尺寸涡轮平面叶栅实验装置，研究了尾缘冷气喷 射对涡轮气动性能的影响。试验件叶片轴向弦长1 4 0 m m ，转折角1 3 0 0 ，也是 研究两种不同结构的喷气形式：冷气孔在尾缘和冷气孔在接近尾缘的压力面 上，出口马赫数是0 9 和1 2 ，以空气与六氟化硫混合物为冷气。结果表明： 冷气对叶片表面的压力分布无干扰，并且基压测量结果与s i e v e r d i n g 得结论 吻合。在亚音速情况下，冷却空气的流量变化对流场的干扰比超音速条件下 小，冷却空气量对薄叶片及厚叶片的影响是类似的。 高丽敏9 2 叫和王掩刚口1 彩1 等人基于涡轮冷却叶片尾缘喷气对其性能的影响 做了研究。使用数值分析的方法对采用两种不同结构尾缘喷气的涡轮冷却模 型进行了数值模拟研究，分别是尾缘对开缝喷气叶栅和接近尾缘的压力面喷 气叶栅。研究采用改良的可压缩二维涡轮叶栅尾缘喷射模型，通过与涡轮叶 栅流场计算及附面层参数的关系来研究冷却气体喷射后的流场损失，和实验 测量结果作对比，初步预测了冷气喷射带来尾迹参数分布规律的改变和气动 性能的影响，同时也预估了两种喷气模型的不同喷气量，不同出口马赫数条 件下的能量损失系数。得出的结论是：增大喷气流量比的时候，两种模型的 能量损失都是先减小后增大；在保证其它条件都相同的情况下，尾缘对开缝 模型比尾缘半开缝模型的能量损失稍大；尾缘喷射对叶栅的平均出口气流角 影响很小。对开缝叶栅尾缘附近，尾迹与射流掺混为主导，而经过一定的距 离，尾迹与主流掺混又占主导作用。 哈尔滨工程大学硕十学位论文 边家亮1 对涡轮叶片的尾缘冷却进行了数值研究，针对尾缘进行了强化 冷却效果的一些可行性方案设计，主要有尾缘开缝，加圆形、方形和菱形扰 流柱以及半圆形扰流柱等方案，有设计了不同冷气进口方式和冷气流量变化 的方案，然后应用c f x 计算程序对各种方案进行了气热耦合数值模拟，对方 案的流动和换热特点进行了研究，分析对比了有无扰流柱，不同冷气进口方 式和冷却流量的变化对冷却效果的影响，得到结论归纳如下：扰流柱对冷却 冷却气流的流动产生较大的干扰，改变了流场的结构，扰流柱排内会形成复 杂的涡系，换热系数明显增大；叶片在冷却结构相同的条件下，冷气流量的 增大，引起流场结构的变化；菱形扰流柱的冷却效率与换热系数最高，同时 其压力损失也最大。 林胜洋口钉利用热线风速仪对使用尾部喷气技术的平板叶栅进行了实验测 量，并数值模拟了压缩机叶栅和平板叶栅，使用实验测量和数值计算相结合 的方法研究了尾部喷气对尾迹区流动的影响，得到结论：尾部喷气填平了速 度亏损区域，获得无动量亏损尾迹，使得尾迹区中的速度亏损减少，尾迹宽 度也略微减少，总压恢复加快，削弱了尾迹干扰，改善了内部流场；实验和 数值模拟结果都表明，纯尾迹和无动量亏损尾迹在尾迹区中沿着流动方向的 流动特性具有相似性，速度的流向导数小于横向导数，在流动方向保持分布 特性；在多种湍流模型中，s s t 湍流模型对静子的尾迹模拟效果最好。 周超等伫q 对斜劈缝涡轮导向叶片尾缘出流气体的流动特性进行了数值分 析，使用s a 湍流模型和r n g k s 湍流模型研究了跨音速情况下，涡轮叶片 尾缘劈缝出流气体的流动特性。颜培刚犯7 1 对气冷涡轮级叶栅非定常流场进行 了数值模拟，使用有限差分格式、自由型曲面网格技术、分区算法以及双时 间步长的方法。曾军和程信华等口阳对涡轮叶栅尾缘冷气喷射流动进行了数值 模拟，使用f l o t r a n 商业流体计算软件，研究了尾缘冷气喷射孔附近的流动掺 混机理。 综上所述，国内外科研人员在叶片冷却技术上已经做出大量的研究工作， 取得的成果是令人鼓舞的，但是从研究进展上来看，还存在不足：受到涡轮 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 内部流场的复杂性的影响，理论基础仍然不够深入；关于冷气射流与主流的 掺混机理、冷流对涡轮的气动损失，由此带来的涡轮内部流场参数的变化规 律的研究依然薄弱，甚至还未确定合适的物理模型。因此，本文就在前人的 研究成果上，针对某型燃气轮机高压涡轮一级动叶进行尾部冷气喷射作出研 究，可为叶片冷却技术的进一步发展提供科学依据。 1 3c f d 技术及f l u e n t6 3 的介绍 随着科学技术的进步和经济的发展，许多领域对高性能的流体机械需求 越来越迫切。为了适应社会的需求，需要进行试制和大量试验参数测量等工 作，为此需要耗费大量的资金和时间。显然，为了设计出高性能的流体机械， 传统的设计方法已满足不了工业生产的需要，必须采用现代设计理论和方法。 这就要求设计者必须详细掌握流体机械性能和内部流动状况，从而给流体机 械内部流动理论和试验研究提出了新的课题。研究流体流动的方法有理论分 析、实验研究和数值模拟三种。对叶轮机械内部流动实验测量时，要求的实 验装置复杂庞大且实验成本较高，研制周期长，因而使实验研究受到了很大 的限制。而数值模拟将以其自身的特点和独特的功能，与理论分析及实验研 究一起，相辅相成。逐渐成为研究流体流动的重要手段，形成了新的学科一 计算流体动力学。近年来，随着高性能计算机的普及，以及c f d 方法的深入 研究，其可靠性、准确性、计算效率得到很大提高，展示了采用c f d 方法用 计算机代替试验装置和“计算试验 的现实前景。c f d 方法具有初步性能预 测、内部流动预测、数值试验、流动诊断等作用瞄9 】。 在设计制造流体机械时，一般的过程为设计、样机性能试验、制造。如 果采用c f d 方法通过计算机进行样机性能试验，能够很好地在图纸设计阶段 预测流体机械的性能和内部流动产生的漩涡、二次流、边界层分离、尾流、 叶片颤振等不良现象，力求在设计初期解决可能发生故障的隐患。 计算流体动力学( c f d ) 在2 0 世纪8 0 年代左右取得了不少重大的进展。 在高速可压缩流动方面，基于总变差减小p 喇与矢通量分裂口3 。3 钔、通量差分分 7 哈尔滨工程大学硕十学位论文 裂口孓圳等方法的高精致格式终于较好地解决了流体力学的一大难题一跨、超音 速计算的激波精确捕获。而采用传统的人工粘性方法的j a m e s o n d 7 1 格式等在这 方面也取得很大的成功。多层网格与残差光顺p ”川等加速收敛技术有效地减少 了三维流动模拟的巨大计算工作量。而在低速不可压流动方面，利用人工可 压缩性方法与压力校正法等对n a v i e r s t o k e s 方程组的直接求解取代了局限性 很大的流函数一涡量法等传统解法，从而也促进c f d 技术向流体传热、多相 流、燃烧与化学反应流等领域迅速扩展与深入。这些进展在很大程度上促进 了c f d 技术的实际应用。 目前通过计算机对流体机械内部的流动进行数值模拟，c f d 方法将在一 定程度上取代试验，以达到降低成本、缩短研制周期的目的，并且数值模拟 可提供丰富的流场信息，为设计者设计和改进流体机械提供依据。因此，c f d 方法是现在和未来研制流体机械必不可少的工具和手段，它使设计者以最快、 最经济的途径，从流体流动机理出发，寻求提高性能的设计思想和设计方案， 从满足多种约束条件下获取最佳的设计，可以说c f d 方法为流体机械设计提 供了新的途径。 本课题所使用的f l u e n t 软件是由美国f l u e n t 公司于1 9 8 3 年推出的 c f d 软件，是目前处于世界领先地位的商业c f d 软件包之一m ，。2 0 0 6 年2 月a n s y si n c 公司收购f l u e n ti n c 公司后成为全球最大的c a e 软件公司， 并发布最新版本f l u e n t6 3 2 6 ，本文正是使用这个版本来计算的。 f l u e n t 是一个用于模拟和分析复杂几何区域内的流体流动与传热现象 的专用软件。f l u e n t 提供了灵活的网格特性，可以支持多种网格。用户还可 以自由选择使用结构化或者非结构化网格来划分复杂的几何区域，例如针对 二维问题支持三角形网格或四边形网格；针对三维问题支持四面体、六面体、 菱形、楔形、多面体网格；同时也支持混合网格。还可以利用f l u e n t 提供的 网格自适应特性在求解过程中根据所获得的计算结果来优化网格。 f l u e n t 使用g a m b i t 作为前处理软件，它可以读入多种c a d 软件的 三维几何模型和多种c a e 软件的网格模型。f l u e n t 可以用于二维平面， 哈尔滨工程大学硕十学位论文 二维轴对称和三维流动分析，可以完成多种参考系下流场模拟、定常与非定 常流动分析、不可压流和可压流计算、层流和湍流模拟、传热和热混合分析、 化学组分混合和反应分析、多相流分析、固体与流体耦合传热分析、多孑l 介 质分析等。湍流模型包含s a 模型、七一c o 模型、r s m ( 雷诺应力模型) 、 l e s ( 大涡模拟) 以及最新的d e s ( 分离涡模拟) 和v 2 f 模型。用户还可以 自己定制或添加自己的湍流模型。 f l u e n t6 3 改进了核心算法，运算速度更快，效率更高。在核心数值求 解器方面新增加了压力基耦合求解器，计算速度提高了3 - 5 倍，它是唯一包 含压力基的耦合求解器又包含密度基耦合求解器的c f d 软件。新增核心算法 对于扭曲拉伸网格以及“刚性 问题的收敛速度和稳定性均有提高，收敛速 度不受网格尺寸的影响，基本不需要调整松弛因子；还实现了与分离求解器 之间的即时转换。 f l u e n t6 3 版本的改进多达5 0 0 多项，改进涉及求解器，并行算法，动 网格，湍流模型，化学反应模型，多相流，辐射，多孔介质，离散颗粒轨道 模型以及后处理等许多方面，全面提升f l u e n t 的性能。 1 4 本文所做的工作 本文在国内外叶片冷却技术领域专家的研究成果基础之上，针对特定某 型船用燃气轮机高压涡轮一级动叶进行研究。对现有的三维设计模型进行简 化，建立有效的冷气喷射模型，数值模拟计算双尾缘尾部喷气的三维流场， 重点研究冷气与主流掺混对尾部流场各性能参数带来的影响。因此，本文拟 在以下几方面做工作： 1 对某型船用燃气轮机高压涡轮一级动叶原有模型进行简化，在简化得 到的叶片上，依据图纸提供的规律线反设计出叶片上下缘板，建立三维计算 域模型，并对其进行数值模拟； 2 与现有数据作比较，分析设计状态下的冷气喷射三维流场是否合理， 对常见的几种湍流模型进行试算，选择合适的湍流模型来模拟计算叶片尾部 9 哈尔滨 = = 程大学硕十学位论文 冷气掺混的流场分布； 3 计算不同冷气量情况下的冷气喷射流场； 4 以数值模拟所得数据，详细研究了双尾缘尾部冷气喷射流场，对叶片 尾部的总压分布、速度场、出口气流角的改变、叶片尾部的冷却效果进行了 分析，初步探讨了尾部冷气与高温燃气掺混的过程。 l o 哈尔滨工程大学硕十学位论文 第2 章数值模拟理论与计算方法 数值仿真又称计算机模拟，通过计算机，对一个已经存在或者尚不存在， 但是正在研究的系统进行间接试验，以期达到对工程问题或者物理问题的数 值预测。 数值仿真技术综合了计算机、网络技术、图形图像技术、多媒体、软件 工程、信息处理、总动控制以及系统工程等多个高技术领域的知识。数值仿 真较传统的实验研究有很强的优越性，这是因为数值仿真具有耗费小、时间 短、省人力等优点，便于改进设计，比实验研究更自由、更灵活，并且还能 对实验难以量测的量做出估计，比如对核反应堆失水事故的模拟等。这都是 实验研究难以模拟的情况。数值仿真的另一个特点是具有很好的重复性，条 件易于控制，可以重复模拟过程，这对于流体力学的数值仿真尤为重要。由 于数值仿真的优越性，所以它得到越来越广泛的应用，由早期的在航天航空 工业中的应用，发展到现在的在其它工业中的广泛应用，比如核工程设备的 设计和改进、水击分析i 汽轮机及压缩机的设计与流场分析、石油输送管道 的设计与改进、近海工程的设计、分析与改进、天气预报、海浪和风暴潮的 预报等，都广泛应用了数值仿真技术刚1 。 涡轮内部的流动现象极其复杂，而且绝大多数是三维跨音速湍流流动， 流动中存在通道涡、尾涡、泄露涡、角涡以及二次流、激波、以及激波间的 相互作用、激波与边界层的相互作用、冷却空气与燃气主流的掺混等复杂流 动现象。因此，想要通过数值仿真计算得到流动问题的解析解，也存在一定 的困难。但是伴随着计算机技术的飞速发展以及科研人员对复杂流动理论的 深入研究，数值仿真的实用性将越来越强大。 2 1 控制方程 流体的流动、热量的转移都遵守大自然的规律，受到三大基本守恒定律 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 昙百+ v 写+ v 瓦= 百 u 蚓 2 ， v f , 与v 瓦分别为非粘性与粘性通量矢量： 磊= p v t p v , v , + p 6 l i p v y j + 尸龟f p v y j 七p 6 m ( p e + 尸) 嵋 0 乃l 和一e = it ： f f 3 q i + v 产o ( 2 - 3 ) q 为源项： o q = ip zi ( 2 4 ) 1 l 由于模拟计算的对象为叶轮机械，因此采用旋转坐标系下的控制方程表 达形式。此表达式中所有守恒方程都用于在旋转坐标系下求解内部流场的相 对速度。这些守恒方程是由时间平均n a v i e r s t o k e s 方程得到。除了非线性的 后一s 湍流模型，基于b o u s s i n e s q 假设的一级封闭模型是： - 一p w ；, j = 以黟蔷一- ；( v t , ) 4 j 卜西( 2 - 5 ) w 为x ，方向的相对速度分量，“为湍流动力粘度。 通量分解为直角坐标分量形式： e - f , l 虮+ z 2 妒，+ 彳3 虬 ( 2 - 6 ) 1 2 哈尔滨工程大学硕十学位论文 e = 工l 虬+ 工2 + 工3 虬 ( 2 7 ) u = p p w i p w 2 p w 3 p e 毛= p 讯i p + 4 j + p w f w l 尸砬，+ t w 。品z 尸氏+ p w f w 3 ( p e + 尸) w f 巴 一e ，= 10 2 在e 。表达式中，i 用于表示方向分量。 源项q 中包含c o r i o l i s 项和离心力项，具体形式是： 9 = 0 r 一- 1 ( 一p ) l2 缈w + ( 国( c o x r ) ) l p v ( 0 5 国2 r 2 ) w 一一一 2 1 3 q l + w j tq ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 这里t o 是角速度，当考虑其它因素影响，比如重力影响，也可采用其它源项。 公式中的压力和密度为时间平均值，是相对于瞬时值而言的： g = q + g 。 ( 2 1 0 ) g 为时间平均值，q 。为脉动量，而且g = 0 。 能量、速度分量、温度为密度平均值，定义为： 否：一p q ( 2 1 1 ) k 为湍能，定义为： 后：竺丝 ( 2 1 2 ) 2 p 相对于层流条件，静压和总能定义为： p + = 尸+ 妄肚 ( 2 1 3 ) e = e + - 1 w f w s + 尼 ( 2 1 4 ) 切应力项和热通量分别为： 纠叫害+ 静响叫 旧 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 吼= ( 尼+ 囊) 丁 ( 2 1 6 ) 为了使：h - 程( 2 1 ) 封闭，需要引入状态方程。对于完全气体，：h - 程为： 脚肌旷，p 孥 忉 2 2 控制方程的离散 在对一个工程实际问题进行数值仿真计算之前，首先要将计算区域离散 化，即对空间上连续的计算区域进行划分，分成许多个子区域，并确定每个 区域的节点，从而生成网格，然后再将控制方程在网格上离散，也就是说将 偏微分格式的控制方程转化为各个节点上的代数方程组。对于瞬态问题，还 要涉及时间域离散。 在求解域内所建立的偏微分方程，理论上有解析解。由于问题的复杂性， 比如复杂的边界条件，或者方程自身的复杂性，造成很难得到真解。此时， 就需要通过数值计算的方法把计算域内有限数量位置上的因变量值当做基本 未知量来处理，建立一组关于这些未知量的代数方程，然后通过求解代数方 程组来得到这些节点值，而计算域内其它位置上的值则根据节点位置上的值 来确定。偏微分方程的定解解法由两个阶段构成，首先是用网格线将连续的 计算域划分为有限离散点集，并选取适当的途径将微分方程以及定解条件转 化为网格节点上相应的代数方程组，这就是建立离散方程组的过程，第二阶 段就是在计算机上求解所建立的离散方程组，得到节点上的解。再应用插值 法将节点之间的近似解求出，这样，用变量的离散分布近似解代替了定解问 题精确解得连续数据，当网格节点很密的时候，离散方程的解将无限趋近相 应的微分方程的精确解。除了对空间域进行离散化处理外，对于瞬态问题， 在时间坐标上也需要进行离散化，即将求解对象分解为若干时间步进行处理。 网格是离散的基础，网格节点是离散化的物理量的存储位置。网格的形 式和密度对数值仿真计算有着重要的影响。常用的离散化方法有有限差分法、 1 4 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 有限元法、有限体积法。不同的离散方法对网格的要求和使用方法不一样。 表面上一样的网格布局，当采用不同的离散化方法时，网格和节点具有不同 的含义和作用。本文使用的离散方法是有限体积法。 有限体积法( f v m ) 也称为控制体积法( c v m ) ，其基本思路是：将计 算区域划分为网格，并使每个网格点周围有一个互不重复的控制体积；将待 解控制方程对每一个控制体积分，从而得出一组离散方程。其中的未知量是 网格点上的因变量西。为了求出控制体积的积分，必须假定西值在网格点之 间的变化规律。从积分区域的选取来看，有限体积法属于加权余量法中的子 域法；从未知解的近似方法看来，有限体积法属于采用局部近似的离散方法。 有限体积法的出发点是积分形式的控制方程，同时积分方程表示了因变 量咖在控制容积内的守恒特性；方程中每一项都有明确的物理意义，从而使 得方程离散时，对各离散方程可以给出一定的物理解释；区域离散的节点网 格与进行积分的控制容积分立，从而整个求解域中场变量的守恒可以由各个 控制容积中因变量的守恒来保证。正是由于有限体积法具有上述特点，使其 成为当前求解流动和传热问题的数值计算中最成功的方法，已经被绝大多数 工程流体和传热计算软