高壓渦輪尾跡渦街特性數(shù)值模擬研究.pdf

1、在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，渦輪內(nèi)部上游的尾跡會(huì)對(duì)下游葉片的流動(dòng)狀況產(chǎn)生明顯的影響，理解尾跡中的流動(dòng)參數(shù)分布對(duì)渦輪設(shè)計(jì)至關(guān)重要，而當(dāng)高壓渦輪尾緣附近出現(xiàn)激波和冷氣時(shí)，會(huì)使得此時(shí)的尾跡流動(dòng)變得更為復(fù)雜。本文試圖基于uRANS對(duì)高壓渦輪的尾跡特性展開數(shù)值模擬研究。
　　采用作者自行開發(fā)的三維可壓縮Navier-Stokes方程求解器3D-Fluid對(duì)所研究的問題進(jìn)行求解，該求解器基于任意曲線坐標(biāo)系下的有限體積法，能夠進(jìn)行定常和非定常的計(jì)算。程序的

2、主要特點(diǎn)如下：基于多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)據(jù)和邊界條件采用CGNS格式進(jìn)行描述，對(duì)流項(xiàng)的離散包括二階中心格式、4階偏斜對(duì)稱中心格式以及多種迎風(fēng)格式，通量計(jì)算格式包括Roe、HLLC、AUSM+等，粘性項(xiàng)計(jì)算采用了二階中心差分格式，時(shí)間推進(jìn)方法包括Runge-Kutta法和LU-SGS法，求解器可以進(jìn)行RANS、PANS和LES計(jì)算。在RANS模型中包括BL、Wilcoxk-ω(2006)、RSM-ω三種湍流模型，PANS模型基于k-u模型

3、，LES計(jì)算則采用動(dòng)力渦粘模型。求解器目前經(jīng)過(guò)多個(gè)經(jīng)典算例的校核，結(jié)果表明程序具有較寬的適用范圍，并且具有對(duì)復(fù)雜問題的模擬能力。
　　基于3D-Fluid，對(duì)VKI的某高壓渦輪導(dǎo)葉葉型進(jìn)行了RANS和uRANS兩方面的數(shù)值仿真，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，RANS雖然能較好的刻畫葉片表面的壓力分布以及尾跡的平均特性，但對(duì)尾跡的動(dòng)力學(xué)特性完全無(wú)法描述。uRANS的結(jié)果顯示尾緣處的邊界層離開葉片尾緣的流動(dòng)呈現(xiàn)出明顯的鈍體繞流特性，此時(shí)將會(huì)

4、觀察到非定常脫落渦—卡門渦街，該渦街結(jié)構(gòu)將會(huì)顯著的影響尾緣的基底壓力分布和尾跡的能量分布，同時(shí)渦街所影響的區(qū)域也不局限于尾跡，實(shí)驗(yàn)和計(jì)算都表明葉片尾緣的壓力分布具有明顯的周期性變化。
　　本文研究了各種數(shù)值方法對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，得到主要結(jié)論如下：湍流模型選取極大影響了計(jì)算所得的尾緣壓力分布，主要是由各湍流模型對(duì)尾跡的刻畫不同所造成的；選用不同差分格式對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較好，采用高精度的FDM計(jì)算所得結(jié)果與二階精度的FVM相差不多；時(shí)間

5、步長(zhǎng)的選取非定重要，減小時(shí)間步長(zhǎng)有利改善結(jié)果，但當(dāng)時(shí)間步長(zhǎng)減小到一定程度后，計(jì)算結(jié)果不再變化。
　　通過(guò)改型，本文研究了不同尾緣結(jié)構(gòu)對(duì)尾跡流動(dòng)的影響，結(jié)果表明，采用橢圓形的尾緣有利于提高基底壓力，減小尾跡摻混損失，但并非橢圓度越高，摻混損失越小，減小尾緣厚度會(huì)大大地降低尾跡摻混損失。尾跡渦街的生成與尾緣邊界層的狀態(tài)密切相關(guān)，可以通過(guò)改變吸力側(cè)后段型線來(lái)控制尾緣附近的邊界層狀態(tài)，從而控制尾跡渦街的生成。本文還對(duì)考慮非定常效應(yīng)時(shí)葉型損