高壓渦輪燃氣主流與盤腔二次流的耦合數(shù)值模擬.pdf

1、高壓渦輪是航空發(fā)動機的重要組成部件之一，對發(fā)動機的整機性能、結(jié)構(gòu)完整性和可靠性均有重要影響，伴隨著航空技術的不斷進步，航空發(fā)動機的性能持續(xù)提升，與之對應，高壓渦輪的進口溫度也不斷提高。流經(jīng)渦輪的高溫燃氣不僅會損害葉片，還會給渦輪盤帶來巨大的負面效應：由于轉(zhuǎn)靜子的相對運動，二者間不可避免的存在著間隙，轉(zhuǎn)子輪盤的泵效應和間隙內(nèi)外的壓差都可能使主流道中的高溫燃氣經(jīng)間隙進入盤腔。侵入盤腔的燃氣會導致渦輪盤過熱，引起部件熱疲勞，縮短渦輪轉(zhuǎn)子壽命，

2、嚴重時甚至破壞結(jié)構(gòu)完整性造成重大事故。為了將盤腔維持在正常的工作溫度，一方面，在輪緣間隙處設計了封嚴結(jié)構(gòu)，減少間隙內(nèi)外的氣流交換；另一方面，一部分冷氣被引入盤腔中，對渦輪盤進行冷卻，而后經(jīng)輪緣封嚴進入主流。封嚴冷氣的用量對發(fā)動機性能具有重要影響，氣量過大會降低整機性能，氣量過小又不能封住燃氣，導致渦輪轉(zhuǎn)盤壽命縮短，最佳冷氣用量由此成為空氣系統(tǒng)設計最為關注的技術難題之一。途經(jīng)輪緣間隙的氣流交換使燃氣主流和盤腔二次流構(gòu)成了一個耦合系統(tǒng)，要準

3、確預估最佳冷氣用量，就不得不考慮二者間存在的復雜相互作用，本文即以高壓渦輪中燃氣主流與盤腔二次流的耦合數(shù)值模擬為研究主題。
　　由于渦輪燃氣主流和盤腔二次流的流動特征存在很大差異，能夠提供最佳預測精度的湍流模型很可能是不同的，據(jù)此，本文選用某一對照試驗，分別進行了兩種流動湍流模型適用性的評估，涉及一方程、兩方程共六種湍流模型，計算結(jié)果表明，對于典型的燃氣主流和盤腔二次流問題，分別選用S-A和SST k-ω模型可以得到相對最優(yōu)的總體

4、預測結(jié)果。在此基礎上，為了實現(xiàn)兩個區(qū)域分別使用各自“最優(yōu)”湍流模型的分區(qū)耦合計算，文中在分析該耦合流動特征及評估現(xiàn)有耦合方法的基礎上，提出了適用于該問題的分區(qū)耦合算法，并利用腳本語言Python和商業(yè)軟件Fluent構(gòu)建了耦合仿真平臺。最后采用兩個算例對耦合算法及平臺進行了驗證，計算結(jié)果表明，該算法可實現(xiàn)平臺要求的流程控制及數(shù)據(jù)交換兩大功能，高效完成燃氣主流/盤腔二次流的分區(qū)耦合仿真，計算結(jié)果優(yōu)于使用單一湍流模型的仿真結(jié)果，展示了該方法