气冷涡轮冷气掺混与气热耦合及热应力数值模拟

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为了提高现代燃气涡轮的效率,涡轮的进口温度不断提高.燃气温度超过了叶片材料的许用温度.研究人员在开发耐高温材料与耐高温涂层的同时,在涡轮发动机中采用冷却技术,降低热端部件的温度,这方面取得很大的进步且不断发展.由于冷却气体流量的加大,会使发动机热效率、推力和涡轮效率降低.为了减少损失,减少冷气量、提高冷却效率成为叶轮机械领域研究重点;另一方面,涡轮热端部件在恶劣的温度环境中长时间工作,势必会影响发动机的寿命,通过气热耦合计算来获得热端部件的温度分布进而进行热应分析,乃至进一步的气、热、弹耦合分析成为研究人员一个新的研究方向.本文使用60万结构化网格,k-ω湍流模型对某两级涡轮在考虑冷气和没有考虑冷气条件下进行了数值仿真,冷气以入口边界条件的形式加入主流.结果表明,有考虑冷气掺混时,流场结构有明显变化,前缘的冷气喷射,使前缘的流场涡系与分离结构复杂,尾缘喷射,却使尾迹流动变得简单,另外,主流速度降低,马赫数减小,激波强度减弱;冷气的加入使静叶出口气流角减小,引起动叶攻角的变化,型面压力升高,内、背弧压出差减小,横向二次流减弱.用气热耦合的方法计算了Hylton实验研究的C3X和MARKⅡ三维燃气涡轮叶片的流场与叶片温度分布.所研究的叶片通过十个圆形径向通道进行空气冷却.气热耦合的方法可以直接仿真通流部分流场、叶片内冷气流动与叶片的温度场,不必进行耗时、低精度的多次解耦计算,只需在流道和冷却通道的进、出口限定边界条件,固体和流体的交接面通过能量守恒实现彼此耦合.本文分别用k-ω、k-ε和二阶矩湍流模型,在不同的网格条件下计算了C3X叶片的外表面温度分布,与Hylton提供的实验数据比较,对CFX-TASCflow程序的气热耦合计算的方法进行验证,发现网格质量和湍流模型对仿真结果的精度有影响;详细地分析了MARKⅡ叶片气热耦合计算结果,在与非耦合计算结果比较中发现,叶片外表面的等熵马赫数增加,来流湍流度对气热耦合计算结果有一定的影响;用有限元的方法计算了叶片的热应力,发现最大热应力发生在温度梯度较大的区域.
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