涡轮内非结构网格气动热力耦合数值计算方法研究

【摘要】：对于叶轮机械内部流场，由于叶片不规则的几何型面以及存在间隙、气膜冷却孔的结构，要生成高质量的结构网格是非常困难的，而非结构网格对于复杂型面良好的适应性使得其在工程领域得到了广泛的应用。 本文深入研究了基于非结构网格的数值计算方法，并在Fortran环境下开发了基于非结构网格的全三维定常隐式求解器。求解器采用有限体积法进行空间离散，迎风的Roe通量差分裂方法及最小二乘法插值计算对流通量，并通过牛顿线化和近似Jacobians矩阵实现隐式时间推进，湍流模型采用一方程Spalart-Allmaras模型。为了验证程序的可靠性，分别对层流平板、湍流平板、Mark-Ⅱ高压涡轮导叶和CW-22涡轮叶片等算例进行数值模拟，并详细分析了流动细节，模拟结果与理论以及实验值吻合良好，准确预测了流场内激波、二次流等重要的流动现象。 另一部分的工作是对压气机可调静子叶片凸台位置对端区流动的影响进行研究。随着新型发动机设计中可调静子旋转角度越来越大，因避免叶片与机匣/轮毂相互干涉而存在的间隙对压气机整体性能造成的影响不能忽视。本文首先建立了简化的可调静子模型，设计并进行平面叶栅实验，通过实验测量与数值模拟对比分析发现：可调静子端区流动损失主要由叶片气动负荷引起的泄漏以及气流绕过凸台造成的掺混两个部分组成；通过合理优化设计，将凸台置于气动负荷高的叶片前缘并覆盖尽可能多的前缘间隙，能够有效降低损失，改善气动性能。