邊界元法在氣熱耦合計算及冷卻結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的應(yīng)用研究.pdf

1、航空發(fā)動機技術(shù)已成為衡量國家科技工業(yè)水平和綜合國力的重要標(biāo)志，為此各國競相開展了航空發(fā)動機的高技術(shù)研究。隨著航空工業(yè)的發(fā)展，對發(fā)動機提出了更高的要求，要求它有更高的推重比、更大的單位體積輸出功率、更低的燃油消耗率及更好的可靠性能等。提高渦輪前燃?xì)鉁囟仁翘岣甙l(fā)動機性能的有效途徑，然而，渦輪進口溫度的提高速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于葉片材料耐溫性能的發(fā)展速度，由此為保證渦輪葉片在高溫環(huán)境下安全可靠地工作，必須采取有效的冷卻技術(shù)和熱防護措施。渦輪葉片溫度場的

2、準(zhǔn)確預(yù)測可以有效地指導(dǎo)設(shè)計人員進行渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計，以提高冷卻效率、延長葉片工作壽命。本文的主要工作是在哈爾濱工業(yè)大學(xué)推進理論與技術(shù)研究所原有的流體計算程序基礎(chǔ)上，搭建具有自主知識產(chǎn)權(quán)、適用于氣冷渦輪葉柵氣熱耦合換熱計算的數(shù)值仿真平臺；并進一步深入分析湍流模型、冷卻通道入口湍流特性條件以及換熱系數(shù)實驗準(zhǔn)則式對氣熱耦合計算結(jié)果的影響。最后應(yīng)用基于邊界元方法(BEM)和有限差分方法(FDM)的氣熱耦合程序建立了氣冷渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)“全耦

3、合”優(yōu)化設(shè)計體系。
　　本文首先對邊界元法進行了深入的理論研究，詳細(xì)推導(dǎo)了二維、三維邊界元法求解勢函數(shù)問題的控制方程，并建立邊界元法計算固體區(qū)域熱傳導(dǎo)問題的數(shù)學(xué)模型，編寫了二維、三維邊界元程序。利用解析解和數(shù)值解對邊界元程序進行準(zhǔn)確性校驗，計算結(jié)果表明，邊界元法僅僅計算模型的表面網(wǎng)格單元，使得數(shù)值模擬的前處理和求解時間縮短。同時，由于其具備解析與離散相結(jié)合的特性，因此計算結(jié)果準(zhǔn)確、計算精度較高。對三維邊界元程序進行網(wǎng)格適應(yīng)性研究，

4、研究表明邊界元方法對網(wǎng)格質(zhì)量的依賴性很小。
　　將邊界元計算方法用于燃?xì)鉁u輪葉柵氣熱耦合換熱計算中，搭建起氣熱耦合數(shù)值仿真平臺。并應(yīng)用此氣熱耦合數(shù)值仿真平臺數(shù)值模擬了 NASA-MarkII渦輪葉柵具有典型流動特點的兩個實驗工況。分析數(shù)值模擬結(jié)果得出，三維氣熱耦合程序能夠準(zhǔn)確模擬不同流動特性的渦輪葉柵內(nèi)部流動；葉柵內(nèi)部溫度場計算結(jié)果說明，在渦輪葉片表面的流體邊界層內(nèi)部溫度梯度較大，傳熱過程劇烈，在流體邊界層內(nèi)部流體由順壓力梯度到逆

5、壓力梯度的過渡區(qū)域，由于葉柵內(nèi)復(fù)雜的流動特點，采用B-L代數(shù)模型的三維氣熱耦合程序在預(yù)測邊界層局部區(qū)域流體的傳熱特性時存在一定偏差。
　　采用商業(yè)軟件 Fluent和CFX對相同的實驗葉柵進行氣熱耦合計算，著重分析氣熱耦合計算的網(wǎng)格適應(yīng)性、冷卻通道入口不同湍流特性條件對耦合換熱結(jié)果的影響以及不同湍流模型對具有流動分離特性的渦輪葉柵的流動、傳熱及熱應(yīng)力特性的預(yù)測能力。計算結(jié)果表明，渦輪葉柵流動特性計算結(jié)果對邊界層網(wǎng)格依賴性很小，對網(wǎng)

6、格質(zhì)量要求不高；而邊界層不同的網(wǎng)格劃分對葉柵內(nèi)傳熱特性的預(yù)測略有差異，其主要影響因素為邊界層網(wǎng)格厚度和流向網(wǎng)格加密程度。對于渦輪葉片冷卻通道、冷卻孔等內(nèi)部流動，湍流強度完全依賴于上游流動的歷史，冷卻通道的入口湍流特性對通道內(nèi)流動發(fā)展影響較大，從而冷卻通道進口湍流特性條件能否正確給定對渦輪葉柵耦合換熱計算結(jié)果的準(zhǔn)確度具有較大影響。CFX提供的考慮轉(zhuǎn)捩流動特性的k-ω-SST-γ-θ湍流模型能夠準(zhǔn)確分辨層流及轉(zhuǎn)捩狀態(tài)，對邊界層內(nèi)復(fù)雜流動和傳

7、熱過程模擬較為準(zhǔn)確，但其不足之處為，k-ω-SST-γ-θ湍流模型過高地估計了轉(zhuǎn)捩區(qū)域的湍動能而造成轉(zhuǎn)捩區(qū)的過大估計，從而使得對流換熱系數(shù)計算值過大，溫度偏高。而三維氣熱耦合程序采用的修正 B-L代數(shù)模型能夠更為準(zhǔn)確模擬不存在分離或分離較小的渦輪葉柵熱環(huán)境，計算結(jié)果顯示，B-L代數(shù)模型除在葉片邊界層轉(zhuǎn)捩區(qū)域存在一定誤差外，其余位置對渦輪葉柵傳熱特性的預(yù)測要強于CFX提供的k-ω-SST-γ-θ湍流模型計算結(jié)果。同時，從渦輪葉片熱應(yīng)力特性

8、分析結(jié)果得出，在渦輪葉柵氣熱耦合計算中溫度場預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確與否對渦輪葉片熱應(yīng)力結(jié)果預(yù)測、以至渦輪葉片壽命預(yù)估和冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計工作至關(guān)重要。
　　將換熱系數(shù)實驗準(zhǔn)則式引入氣冷渦輪葉柵氣熱耦合計算中，在計算過程中考慮了基于氣冷渦輪葉片冷卻通道不同幾何模型和實際工況的修正因子，詳細(xì)對比分析渦輪葉片內(nèi)冷通道的不同換熱系數(shù)實驗準(zhǔn)則式對耦合計算結(jié)果的影響；分析氣冷渦輪葉片內(nèi)冷通道采用、不采用換熱系數(shù)實驗準(zhǔn)則式對氣熱耦合計算結(jié)果的影響以及對不同湍

9、流模型預(yù)測葉柵流動、傳熱過程準(zhǔn)確程度的影響。計算結(jié)果表明，氣冷渦輪葉柵氣熱耦合計算中，渦輪葉片冷卻通道、冷卻孔等位置采用修正的對流換熱系數(shù)實驗準(zhǔn)則式可以得到準(zhǔn)確的葉柵流場及葉片溫度場分布。換熱系數(shù)實驗準(zhǔn)則式的采用繞開了湍流模型對冷卻通道流體區(qū)域的求解過程，使得湍流模型能夠?qū)Ｒ磺蠼馊~柵主流燃?xì)鈪^(qū)域流動和傳熱過程，從而能夠更為準(zhǔn)確分析不同湍流模型對葉柵主流區(qū)域流動、傳熱特性的計算能力。同時避免了湍流模型計算多區(qū)域流場時求解誤差的疊加，并且節(jié)

10、省計算時間。
　　將三維氣熱耦合程序作為氣冷渦輪葉柵數(shù)值模擬的主程序，建立了氣冷渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)“全耦合”優(yōu)化設(shè)計體系。對NASA-MarkII渦輪葉柵10個徑向冷卻通道進行優(yōu)化，在優(yōu)化過程中將冷卻通道孔徑、冷卻通道空間位置和流經(jīng)冷卻通道的冷氣流量作為設(shè)計變量進行參數(shù)控制，并且對冷卻通道孔徑和位置進行必要的約束。優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)包括渦輪葉片溫度最大值、溫度平均值以及冷卻孔冷氣流量。優(yōu)化中通過加權(quán)求和的方法將多目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù)，

11、尋求渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)的最優(yōu)解。得益于氣熱耦合程序中求解固體區(qū)域熱傳導(dǎo)問題的邊界元程序模塊，使得渦輪葉片冷卻結(jié)構(gòu)“全耦合”優(yōu)化計算時間縮短，工作量減少。在優(yōu)化過程中，邊界元方法省去了固體區(qū)域網(wǎng)格重復(fù)生成、重復(fù)計算的過程，避免了固體區(qū)域網(wǎng)格與流體區(qū)域網(wǎng)格的插值誤差，從而提高優(yōu)化效率和問題求解的計算精度。優(yōu)化結(jié)果表明，冷卻通道位置以及冷卻通道孔徑的優(yōu)化，使得葉片區(qū)域溫度最大值降低；優(yōu)化后冷氣流量的減少，使得葉片區(qū)域平均溫度略有提高，但提高幅度