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题目：
雅宝题库答案：
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雅宝题库解析：
随着现代航空发动机的快速发展，为了追求高推重比和高热效率，现代先进涡轮的进口温度越来越高。这使得发动机的热端部件工作在恶劣的环境中，严重影响其寿命和可靠性。为了保证热端部件持久可靠地工作，必须对其采用高效率的冷却等热防护措施。而设计合理高效的冷却系统以及准确预测热端部件的寿命的前提是必须准确预测真实条件下热端部件的温度分布。针对如何准确预测航空发动机涡轮等热端部件的温度分布这一核心题目，本文的主要工作正是围绕流/热耦合数值模拟程序平台的开发，以及利用它研究内冷涡轮叶片的耦合换热题目而展开的。本文的三维流/热耦合数值模拟程序平台是在流体求解程序—Denton程序的基础上发展的。针对流/热耦合数值模拟的需要以及叶轮机内流动和换热的特点，本文对原程序进行了系统的修改和功能拓展，使得新发展的程序具有以下特色：包含低数值粘性的对流项离散格式、包含预处理方法，包含转捩模型、有丰富的湍流模型可供选择、固体域的热传导求解器可以采用结构化或者非结构网格等等。通过一系列具有代表性的算例，分别对程序的对流项离散格式、各种湍流模型、转捩模型、预处理方法、热传导求解器和流/热耦合方法等进行了详细的校验和分析，结果表明所发展程序的各个模块功能良好，具有较高的模拟精度和可靠性。 随后通过一个较为复杂的带有径向冷却通道的MarkⅡ涡轮叶片的耦合算例对涡轮内部流动和换热预测精度的影响因素进行了研究和分析。首先针对叶片前缘区域的“湍动能异常题目”，采用湍动能生成项Pk限制器和基于“可实现性”的Cμ限制器对程序中的Chien k-ε湍流模型进行改进，研究结果表明：这两类限制器均能有效地改善叶片前缘高应变率区域湍动能过大的现象，从而提高了Chien k-ε模型对高应变率区域流动和传热的预测精度，且对非高应变率区域的结果没有影响。接着对AGS转捩模型在涡轮流动与换热数值模拟中的应用进行了研究。作者在计算中发现AGS模型在壁面有强热流情况时不太适用，为此提出了改进方法即用不可压形式的边界层参数定义式代替可压形式的边界层参数定义式，通过MarkⅡ涡轮算例和边界层理论分析证明了作者提出的改进方法是合理有效的。利用改进后的AGS模型对MarkⅡ涡轮叶片进行了流/热耦合计算，结果表明：AGS转捩模型可以较为准确地预测出叶片吸力面和压力面上流动的转捩，相比未使用转捩模型的结果，叶片表面换热的预测精度得到了大大提高。另外还研究了计算模型中的参数对流/热耦合计算结果的影响，包括湍流模型的进口边界条件、壁面粗糙度、层流/湍流普朗特数和固体导热系数。最后利用流/热耦合数值模拟手段对MarkⅡ涡轮叶片流动与换热的若干相关题目进行了研究。首先研究了不同湍流模型（带转捩）对涡轮叶片流动与换热的影响，并较为详细地分析了涡轮内部流动和换热的特点以及叶片表面边界层的发展、转捩和分离现象，结果表明：四个湍流模型均能较为准确地预测叶片吸力面和压力面上边界层的发展和转捩，不同模型预测的吸力面流动转捩位置略有差别；不同湍流模型对涡轮换热模拟能力的差别主要体现在叶片吸力面上，且吸力面上换热的预测精度要低于压力面；在四个湍流模型中，k-ω SST & AGS模型的换热预测性能相对最好，其结果并不逊色于CFX软件的k-ω SST & γ-Reθ模型所计算的结果。随后结合实验结果研究了叶栅出口马赫数、出口雷诺数、进口湍流度以及壁面/燃气温比(Tw/Tg)这四个因素对叶片表面换热的独立影响，结果表明：叶片压力面的换热基本不受出口马赫数变化的影响，吸力面分离点下游区域的换热系数随着出口马赫数的增大而有所降低；叶片表面换热系数随着出口雷诺数的增大而明显升高，且变化主要表现为整体换热系数的平移，而换热系数的具体分布规律则没有太大变化；进口湍流度的变化(6.5%~8.3%)和Tw/Tg的变化(0.7~0.8)对叶片表面换热系数的影响相对较小，叶片表面换热系数随着进口湍流度的增大而略微升高，随着Tw/Tg的增大而略微减小。最后研究了涡轮叶片端壁区域的换热题目，重点分析了端壁二次流对叶片表面换热的影响，结果表明叶片表面尤其是端壁附近的换热与二次流的位置以及强弱明显相关：叶片吸力面一侧的流动受通道内二次流的影响较大，所以吸力面的换热系数沿叶高方向发生显著的变化，叶片端壁附近的换热明显加强，换热系数的分布呈明显的三维性，且随着二次流的增强，这种三维性也愈加明显；而在叶片压力面一侧，二次流的影响则较弱，整个压力面上的换热系数沿叶高方向上的变化较小，其分布基本呈现出二维特性。 |
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发表于 2022-8-29 10:37:52
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