高壓渦輪尾跡渦街特性數(shù)值模擬研究.pdf

1、在航空發(fā)動機中，渦輪內(nèi)部上游的尾跡會對下游葉片的流動狀況產(chǎn)生明顯的影響，理解尾跡中的流動參數(shù)分布對渦輪設計至關重要，而當高壓渦輪尾緣附近出現(xiàn)激波和冷氣時，會使得此時的尾跡流動變得更為復雜。本文試圖基于uRANS對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對所研究的問題進行求解，該求解器基于任意曲線坐標系下的有限體積法，能夠進行定常和非定常的計算。程序的

2、主要特點如下：基于多塊結構化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)據(jù)和邊界條件采用CGNS格式進行描述，對流項的離散包括二階中心格式、4階偏斜對稱中心格式以及多種迎風格式，通量計算格式包括Roe、HLLC、AUSM+等，粘性項計算采用了二階中心差分格式，時間推進方法包括Runge-Kutta法和LU-SGS法，求解器可以進行RANS、PANS和LES計算。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計算則采用動力渦粘模型。求解器目前經(jīng)過多個經(jīng)典算例的校核，結果表明程序具有較寬的適用范圍，并且具有對復雜問題的模擬能力。
　　基于3D-Fluid，對VKI的某高壓渦輪導葉葉型進行了RANS和uRANS兩方面的數(shù)值仿真，與實驗結果對比分析發(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，但對尾跡的動力學特性完全無法描述。uRANS的結果顯示尾緣處的邊界層離開葉片尾緣的流動呈現(xiàn)出明顯的鈍體繞流特性，此時將會

4、觀察到非定常脫落渦—卡門渦街，該渦街結構將會顯著的影響尾緣的基底壓力分布和尾跡的能量分布，同時渦街所影響的區(qū)域也不局限于尾跡，實驗和計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)值方法對計算結果的影響，得到主要結論如下：湍流模型選取極大影響了計算所得的尾緣壓力分布，主要是由各湍流模型對尾跡的刻畫不同所造成的；選用不同差分格式對計算結果影響較好，采用高精度的FDM計算所得結果與二階精度的FVM相差不多；時間

5、步長的選取非定重要，減小時間步長有利改善結果，但當時間步長減小到一定程度后，計算結果不再變化。
　　通過改型，本文研究了不同尾緣結構對尾跡流動的影響，結果表明，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，可以通過改變吸力側后段型線來控制尾緣附近的邊界層狀態(tài)，從而控制尾跡渦街的生成。本文還對考慮非定常效應時葉型損