某双级跨音速燃气透平全三元粘性流场的数值分析_计量标准器具_中国百科网
某双级跨音速燃气透平全三元粘性流场的数值分析
    摘 要:求解了某双级跨音速燃气透平的全三元粘性湍流流场,计算结果表明用基于有限体积法的数值模拟方法求解多级跨音速透平粘性含激波流场结果合理,数值计算具有较高的效率。在分析了各排叶片叶型的主要气动特性基础上,认为该透平总体承载能力比较合理。透平流道内气体三元、粘性、湍流、非稳定等特征及叶片表面与端壁附面层对流动产生的影响构成了一个复杂的流场。计算与试验表明,具有粘性的流场的计算结果有时与理想气体假定下得到的流场解有较大的差异。为了准确分析透平内部流场及其气动特性,从而评价透平的承载能力,必须求解计入湍流效应的三元粘性真实流场。因此应用更合适的方法对此类问题进行数值求解,合理和高效地分析流道特性很有必要。由美国los alamos国家实验室、denton[1]、英国帝国理工学院的spalding及patankar等人发展的有限体积法,被证明是一种较好的求解复杂流场的方法。它与一般有限差分方法不同;首先,有限体积法是从积分方程出发进行离散,求解时使偏导数降低一阶,同时允许求解域中出现参数的突跃,因此它可求出激波所在位置;其次,离散空间概念不同,有限体积法是对空间某一个控制体建立差分格式,易于体现方程的守衡性,可应用较少的网格数取得较高精度的计算结果。本文基于此方法对某双级跨音速燃气透平的全三元、基于k-&湍流模型的粘性流场进行了数值计算,分析了叶栅的主要气动特性,认为该透平的总体承载能力比较好,并为下一步采用psic法求解带粒透平内颗粒运动轨迹及叶片冲蚀提供了必要的气动流场数据。1控制方程组与数值求解相对圆柱坐标系(r,?,z)下,三元n-s方程组可表为:首先离散叶片流道流场区域(流道特征由周期性边界条件说明),将此区域根据求解要求划分成许多小单元,如图1所示。对式(1)进行适当形式上的改写后就每一个单元,积分各项,产生一个代数方程,最后集成所有的单元,构成代数方程组(fve),与式(2)联立后,形成封闭方程组。给定第一级前的总温、总压、入口初速及末级后静压。叶片排间参数传递应用&混合平面&的概念,即假设在叶片排间隙内存在一混合平面,对上游的信息经周向平均后向下游传递。这样做忽略了周向不均匀引起的非定常效应,但并不影响沿翼展的流场的变化。据此得到叶片排入口的总温、总压。如图2所示,在各排叶片气动流场计算时,不考虑该叶片排前后叶片排的存在,aa和bb分别距叶片排的进、出口1~1.5倍弦长,这样,叶片排的计算域为abb&a&a。叶片排的计算域为cdd&c&c。叶片排ii的计算完成后,将两叶片排之间的轴向间隙ee (即&混合平面&)内的各气流参数沿周向平均,并且根据动、静叶之间的相互关系进行转换。当iv静叶、ii为动叶时,经转换后的气流相对速度为wei,则ee&截面处的转焓为:i=1,2,&,n为径向计算网格单元序号,假定在e和c之间,气体顺拟流线经过一个绝能等熵过程,则有ici=iei,于是,cc 截面处第i计算单元的相对总温t*ci和相对总压p*ci就可以表达为:由于ec间的拟流线是直线,故c处的气流角与e处的气流角相同。对第二、三排叶栅,为动叶、为静叶,计算域取法不变,由绝对总焓定义:h=cpt+c2/2,可以得到cc 截面处第i计算单元的总温、总压,分别为:2求解结果与分析已知参数:燃气气体常数r=281.53j/(kg?k), k=1.3089,cp=1.2033j/(g?k),叶轮旋转角速度&=825.2s-1。第一级前入口马赫数为0.17,总温1033k,总压为594300pa,并给出叶片排出口根部静压,假定流场稳定。由上述方法计算得各叶片排入口的总温、总压,见表1,2。图3是各静叶和动叶在不同叶高位置处马赫数m沿轴向的分布情况,吸力面和压力面近流道出口处,气流马赫数均大于1,表明各动、静叶内气体作跨音速流动;静叶中马赫数呈相对有规律的变化,而动叶中马赫数变化呈小幅度波动,但总体变化趋势合理。图4为静、动叶平均直径处的速度矢量图,表示流道内气流速度的变化过程,图形显示,除了动叶顶部,静、动叶其它叶高处沿轴向的膨胀加速过程较为顺利;而在动叶顶部,由机匣构成的端壁对流动的影响比较大,两次流对动叶顶部入口气流形成了干扰,致使气流大小及方向出现一定的紊乱,如图5所示,但这种干扰沿轴向呈减弱趋势。两次流在动叶根部及静叶顶部、根部的干扰作用并不很明显。图6为叶片流道内平均叶高处气流静压分布,沿流道前半部分,气流膨胀,静压逐渐平稳降低,然而在静、动叶吸力面出口处都存在压力的突跃增大,气动参数突变的分界面应该是激波,其强度沿周向由吸力面到压力面逐渐减弱。图7为各级静、动叶中心流道气流的静压分布,由图可见,无论静叶还是动叶,出口处的激波面几乎由叶根延续到叶顶。图8为各级静、动叶平均叶高处叶片表面的气流压力分布,由图可以分析它们的加载情况:第一级静叶与动叶载荷分布总体还是比较好的,静叶的最大加载位置比较靠后,可以认为是后加载叶型,动叶的加载沿轴向有一定的波动,但加载能力较强;第二级静叶加载能力与第一级静叶比较有所减弱,最大加载位置基本位于轴向的中间部位,第二列动叶与第一列动叶加载能力相似,这一型貌与气流沿轴向马赫数分布具有波动的特点是一致的。3讨论计算结果表明,基于有限体积法的数值计算方法求解多级跨音速透平全三元可压粘性湍流流场具有很好的适用性,采用相对较少的网格数,就可以达到很高的收敛精度,捕捉流场中激波面的位置也比较准确,根据需要,可以通过增加网格数,进一步提高激波位置的精度。叶片排间的数据传递仍采用了&混合平面&上的数值平均法。由流场情况看,本燃气透平的总体承载能力比较合理。应当提及,静叶出口同一半径处径向速度沿周向的分布是不均匀的。对下游动叶来说,相当进口r-&平面上有一个预环量存在,它对动叶的入口条件会有一定的影响。但是&混合平面&上参数沿周向平均的做法,忽视了径向速度沿周向的差异,一定程度上会造成动叶入口条件与实际情况的误差。此外,第二级静叶的加载略小,可能与参数所作周向平均不无关系。为此,作者曾尝试将参数的周向平均改为部分周向平均,一定程度上保留周向实际的流态,但这种处理方法又使总温、总压沿周向变化,问题更加复杂化。如何处置这一问题,还值得进一步探讨。考虑到数值计算的效率和有限体积法的特点,本文采用的网格相对较粗,但分析表明,计算结果仍然合理,具有可靠性。相对于原可压缩无粘假定下透平级的流场解[2],本例结果在分析叶片的气动特性方面更加细致和准确。参考文献:[1]denton jd. the calculation of three dimensional viscous flow through multistage turbomachines[j]. asme j of turbomachinery,-26.[2]ling zhiguang, jiang xiaomin. numerical simulation on blade erosion in turbomachinery[j]. computational fluid dynamics journal,):215-228.[3]黄典贵,蒋兹康.透平级组的完全三元流场计算[j].工程热物理学报,):43-46.[4]dawes wn. the use of three-dimensional viscous flowsolvers in a multistage environment[j]. asme j ofturbomachinery,-17.[5]denton jd. an improved time-marching method for turbomachinery flow calculation[j]. asme j of engineering for power,-524.作者：鲁嘉华,凌志光
收录时间:日 15:17:28 来源:中国计量测控网 作者:点击率
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清华大学建筑学院建筑技术科学系,清华大学热能工程系,
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该文从数值求解N-S方程组出发,进行复杂外形粘性网格生成,空间离散格式、时间推进格式的N-S方程组数值求解方法,湍流模型应用,多块网格粘性流场模拟,三角翼、双三角翼定常、非定常粘性流场数值模拟,弹体、翼身组合体及全机大迎角粘性绕流等几方面的研究.1.采用沿物面边界法向外推方法和求解椭圆型偏微分方程方法结合,进行复杂外形的粘性网格生成.2.采用多块网格技术实现了多部件复杂外形的高质量粘性结构网格生成,拓展了结构网格处理复杂外形的适用范围;采用虚拟网格技术实现了分区计算中流场信息的统一管理,降低了编程难度,极大地提高了计算机矢...展开
该文从数值求解N-S方程组出发,进行复杂外形粘性网格生成,空间离散格式、时间推进格式的N-S方程组数值求解方法,湍流模型应用,多块网格粘性流场模拟,三角翼、双三角翼定常、非定常粘性流场数值模拟,弹体、翼身组合体及全机大迎角粘性绕流等几方面的研究.1.采用沿物面边界法向外推方法和求解椭圆型偏微分方程方法结合,进行复杂外形的粘性网格生成.2.采用多块网格技术实现了多部件复杂外形的高质量粘性结构网格生成,拓展了结构网格处理复杂外形的适用范围;采用虚拟网格技术实现了分区计算中流场信息的统一管理,降低了编程难度,极大地提高了计算机矢量运算的效率.3.研究了N-S方程组中对流项的三种空间离散格式:改进的Jameson中心+人工粘性格式、通量矢量分裂类van Leer格式和通量微分分裂类Roe格式.4.采用改进的显式四步Runge-Kutta格式、隐式LU-SGS格式以及具有二阶时间精度的LU-SGS-τTS格式,数值求解三维非定常可压缩N-S方程组.5.选取并求解了四种湍流模型:代数Baldwin-Lomax模型、半方程Johnson-King模型(J-K90A和J-K92两个版本)以及由κ-ω模糊推导而得的两方程k-g模型.6.对三角翼、双三角翼低速流动进行了较为系统的研究,着重模拟了旋涡的产生、发展和旋涡间的干扰,以及大迎角绕流特性,此外,采用上述方法对二维翼型,细长旋成体,ONERA M6机翼,NASA TN D712翼身组合体标模,民用运输飞机翼身组合体,以及真实全机外形等粘性流场进行了数值模拟,速度范围包括抵速、亚、跨及超声速,迎角从零度到接近50度,有定常流动,也有非定常流动,计算结果与实验结果均吻合良好.收起
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