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《哈尔滨工业大学》 2017年
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不同来流条件对气膜冷却效果影响的机理研究

唐晓雷  
【摘要】:燃气轮机作为现代社会生产、制造、航空、发电等领域中的重要动力机械,在国民生产、军事、国防中应用越来越广。随着对燃气轮机动力需求的提高,涡轮入口温度越来越高,超过了材料的耐受温度,所以高效的冷却技术的研究就至关重要。而气膜冷却是现在最广泛的应用于燃气轮机涡轮叶片的一种冷却技术,所以对气膜冷却的研究就很有必要。气膜冷却流动是低温冷气与高温主流的复杂掺混过程,影响气膜冷却效果的因素有很多,本文主要研究了不同来流条件对气膜冷却效果的影响。不同的来流条件包括主流、冷气来流条件不同。对于冷气来流不同,本文主要研究了脉动射流对气膜冷却效果的影响,冷气脉动射入方式选取脉动速度正弦波动的形式;对于主流来流条件不同,本文主要研究了速度分布为正弦扫略形式的主流来流对气膜冷却效果的影响。因为本文研究的来流条件变化具有高度的非定常性,且气膜冷却的过程本身就具有高度的非定常性和复杂性,所以本文的研究方法采用大涡模拟(LES)。首先研究了脉动射流对气膜冷却效果的影响。通过对吹风比为M=1.0,0.5,1.5三个工况下冷气脉动射流计算结果分析,认为对于中高吹风比工况,脉动射流可以有效的提高冷却效率,减少冷气的分离,改善冷气的覆盖效果。而对于低吹风比工况,恒定射流工况对应的冷气覆盖效果更好,脉动射流不利于冷气在被冷却平板表面的覆盖,且脉动频率对脉动气膜冷却有着很大的影响。对于吹风比为1.0的工况,脉动斯特劳哈尔数St=1.0时对应更好的冷却效果。对于吹风比为1.5的工况,脉动St=0.5对应较好的冷却效果。然后对速度为正弦分布的周期扫略形式主流工况气膜冷却进行了数值模拟,主要研究了两个工况下(吹风比M=0.5和1.0)的扫略来流。对于吹风比为M=1.0的工况,周期扫略来流可以使平均冷却效率变高,其主要作用机理可能是扫略来流增加了冷气的横向扩散能力,冷气覆盖效果更好,因而效率更高。且随着扫略速度的增大,冷却效率提高。而对于吹风比为M=0.5的工况,由于冷气量较小,均匀来流条件下冷气在平板表面有较好的覆盖,冷却效率较高。这可能是由于主流速度变为周期扫略后,破坏了原来冷气覆盖,冷却效率降低,冷却效果变差。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TK471

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【参考文献】
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