渦輪流場大渦模擬與擬序結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、湍流是一種極為復雜的流動狀態(tài)，直至現(xiàn)在，人們對湍流機理的認識尚不完善，仍在探索之中。湍流問題又是在工程技術(shù)中經(jīng)常涉及到的重要難題，如何精確數(shù)值模擬湍流的復雜流場，成了湍流研究的一個重要目標。近些年發(fā)展起來的大渦模擬方法受到人們特別關(guān)注，本文采用該方法進行了航空燃氣渦輪相關(guān)的湍流流場的精確數(shù)值模擬與擬序結(jié)構(gòu)的機理性研究，這是與發(fā)動機性能的提高密切相關(guān)的，其研究工作是具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。
　　文中發(fā)展了高精度、高效率的可

2、壓縮流大渦模擬算法，主要包括:
　　1)導出可壓縮流大渦模擬控制方程和無需近壁修正的動態(tài)亞格子模型，并在大渦模擬算法中引進計算低馬赫數(shù)的先進預處理技術(shù)，擴展了可壓縮流大渦模擬算法的應(yīng)用范圍。
　　2)在數(shù)值解法中，為了確?？臻g離散數(shù)值通量的高精度，對流項采用六階WENOSYM格式離散、粘性項采用六階緊致格式離散，并導出了緊致格式的相應(yīng)系數(shù);為了簡化隱式迭代的矩陣形式，提出應(yīng)用預處理之后的簡化Roe Jacobians矩陣形式

3、，推動了隱式預處理技術(shù)在工程中的應(yīng)用。
　　3)為了更好的給定適用于壁湍流大渦模擬的進口擾動，采用一種先進的合成渦方法，經(jīng)過計算檢驗，確認其僅需很短的計算域就可以得到完全發(fā)展湍流，為大渦模擬在工程上應(yīng)用提供了適用的進口邊界條件。
　　深入進行了相關(guān)的湍流邊界層流場擬序結(jié)構(gòu)及流動特性研究，主要包括:
　　1)分析了平板槽道湍流邊界層內(nèi)層的擬序結(jié)構(gòu)。把計算得到的擬序結(jié)構(gòu)特征參數(shù)與Cantwell B.J.的平壁湍流邊界層擬

4、序結(jié)構(gòu)參數(shù)做了對比，以及將流場統(tǒng)計平均值與經(jīng)驗公式及DNS解作對比，得到了基本一致的結(jié)果;對于計算中發(fā)現(xiàn)的兩種發(fā)卡渦包結(jié)構(gòu)，經(jīng)與實驗結(jié)果對比，證實了其結(jié)構(gòu)的合理性;在對擬序渦結(jié)構(gòu)時空演化研究中，詳細地展示出單側(cè)渦腿的發(fā)卡渦的形成過程。上述對平壁湍流中發(fā)卡渦研究中的新成果，尚未見諸其他文獻。
　　2)探討了橫向射流場中的發(fā)卡渦結(jié)構(gòu)及射流脈沖控制發(fā)卡渦結(jié)構(gòu)的優(yōu)化氣膜冷卻方法。通過對穩(wěn)定工況平板橫向射流場的大渦模擬數(shù)值解的研究，分析了流

5、場中典型的發(fā)卡渦對于射流場的影響，及發(fā)卡渦的發(fā)展演化過程，在此基礎(chǔ)上結(jié)合其他文獻的研究成果，從控制發(fā)卡渦的角度提出了射流進口方波脈沖控制優(yōu)化氣膜冷卻的方法，并對不同脈沖頻率下的射流場進行了大渦模擬計算分析，初步得到了方波脈沖使得發(fā)卡渦間歇出現(xiàn)，無發(fā)卡渦的間歇區(qū)間與射流出口脈沖波的“波谷”相對應(yīng)的結(jié)論。此間歇區(qū)間的提出可以為今后渦輪氣膜冷卻設(shè)計提供一種新的思路。
　　3)展示了無氣膜冷卻和帶氣膜冷卻的MT1渦輪導葉流場中不同轉(zhuǎn)捩模式

6、的擬序結(jié)構(gòu)形態(tài)。通過對流場大渦數(shù)值模擬的研究，展示了葉片吸力面無氣膜射流時激波誘導下分離轉(zhuǎn)捩過程和湍流中的發(fā)卡渦無序且密集的分布形態(tài)，文中稱此形態(tài)為發(fā)卡渦“森林”，研究了位于渦輪導葉不同位置的氣膜射流在葉片表面產(chǎn)生的射流擬序結(jié)構(gòu)的形態(tài)，顯示了逆轉(zhuǎn)捩過程影響下的渦拉伸結(jié)構(gòu)。展示上述轉(zhuǎn)捩過程的近壁渦結(jié)構(gòu)形態(tài)，這種在高壓渦輪的研究中還是第一次。
　　顯然，本文進行的大渦模擬算法與湍流擬序結(jié)構(gòu)的研究是密切相關(guān)的，高精度、高效率的可壓縮流大