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低雷诺数涡轮短周期性能试验及非稳态效应的研究

唐菲  
【摘要】: 试验研究在涡轮技术的研究工作中占有非常重要的地位。针对传统长周期涡轮试验装置运行成本高、试验周期长的缺点,从上世纪八十年代起开始,研究者们发展了以暂冲式风洞为代表的短周期涡轮试验装置,这种试验装置具有建设/运行费用低、试验周期短、能方便地模拟不同比热比、雷诺数和马赫数下的流动等优点,在内流气动热力学领域的研究中得到了广泛的应用。 中科院工程热物理研究所(IET)建设了暂冲式短周期涡轮试验台,并进行了一系列涡轮气动和传热的试验研究。本文利用该试验台进行了高空低雷诺数涡轮性能试验研究,并分析了短周期试验的瞬态效应带来的影响,其中所涉及的主要研究内容如下: 1.为了研究低雷诺数流动条件下的涡轮内部流动机理,验证低雷诺数流动条件下涡轮设计理念和方法,本文使用IET短周期涡轮试验台成功模拟了从0~20公里高度不同雷诺数条件,对高空低雷诺数模型涡轮进行了气动性能试验,得到了不同雷诺数、不同高度条件下涡轮设计点性能的变化规律和不同转速、落压比条件下涡轮的变工况特性曲线。 2.短周期试验台不能和长周期试验一样提供稳定的试验流场,流动参数和涡轮转速的非稳态变化必然导致短周期试验结果同相应的长周期试验结果有一定差异,这就是本文中所研究的短周期试验的非稳态效应。非稳态效应在一定程度上降低了短周期试验结果的精度和可信性,将其应用范围限制在机理研究领域内。 3.通过CFD模拟了低雷诺数涡轮短周期试验中落压比和转速的非稳态变化过程。为了用于衡量落压比和涡轮转速变化的快慢,本文定义了单位压强变化率户和单位转速变化率(?)。从对比分析的结果来看,(?)和(?),对涡轮流量和效率的影响几乎为线性。通过取准稳态时间段的方法将(?)和(?)控制在较小的范围内,可以使非稳态效应对试验结果造成的误差控制在0.3%以内。 4.本文针对涡轮效率和流量提出了修正方案。针对具体的试验,可以根据记录的试验数据和数值模拟结果拟合得到的系数,对试验结果进行修正。


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