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燃气轮机全通流数值模拟研究

李义进  
【摘要】:随着燃气轮机各项性能的不断提高,为提高发动机效率、减少流动损失和设计成本,就需要加大通流仿真的力度,从而减少发动机本体试验的次数。为此,本文开发了具有自主知识产权源代码的三维整机全通流计算程序,利用数值计算方法研究燃气轮机内流场规律以及气流损失,分析压气机、燃烧室、涡轮的流场特点,并讨论了如何开发有效的计算程序,这些工作为燃气轮机全通流缩放仿真建立了基础。具体研究内容如下: 第一,对于开发燃气轮机内部流动源代码程序的算法进行了研究。本文探讨了燃气轮机内部流动模拟适用的控制方程组处理方法、离散方法、初始化条件、边界条件和湍流模型等等问题。由于叶轮机械叶栅内流动的复杂性,为了避免数值的奇异,需要对方程组进行预处理。程序模拟湍流时需要计算壁面最小距离,本文开发并改进了相应的算法,有效地缩短了计算时间。离散方程后形成矩阵,运用Trilinos程序包进行计算,使其更具有可扩展性。运用跨音速压气机转子NASA Rotor37考核了程序对于跨音速压气机叶栅流动的预测能力。利用具有实验结果的某后加载涡轮叶型考核其对涡轮流场的预测能力,为后续工作提供依据,并验证程序的有效性。 第二,对燃气轮机全通流计算中不可避免的各类交界面处理,如计算域内部相连的交界面、周期性界面、动静叶交界面、并行计算时交界面的并行处理等等问题进行了研究。进行多级涡轮或压气机叶栅数值模拟时,动静间隙必须按照无反射边界条件进行处理。而且,使用“混合平面”法进行叶列间条件处理时,压气机级或涡轮级计算中叶列间小间隙情况的求解会引起参数的振荡而很难使程序得到收敛解,文中给出的处理方法和程序设计给出了满意的结果。通过在交界面上构造Riemann问题解和松弛因子的方法大大提高了程序的稳定性。运用Aachen1-1/2涡轮算例考核了程序中动静叶交界面的处理能力。在非结构网格下,研究了并行计算的网格处理方法,并对网格划分和节点信息进行了管理等。 第三,采用欧拉-拉格朗日方法对燃烧室气液两相喷雾燃烧进行了数值模拟。选用k-ε方程模型模拟湍流粘性,颗粒轨道模型模拟两相喷雾燃烧过程中油珠的加热、蒸发及与空气的相互掺混过程,EBU-Arrhenius燃烧模型估算化学反应速率。对某型涡喷发动机的燃烧室进行了数值模拟,分析了燃烧流场分布,所得出结果与试验基本吻合,因此该方法能够较好地模拟燃烧室内流场,可以反映燃烧室中实际的流动与两相喷雾燃烧过程。 第四,通过对整台压气机、燃烧室和涡轮集成在一起进行整机通流数值模拟,初步实现了燃气轮机全通流CFD仿真,其间需要解决各个交界面问题和收敛性问题。 这些研究工作为发展适用于燃气轮机内部流动的三元粘性流动数值计算方法,开发高精度高分辨率燃气轮机全通流(压气机、燃烧室和涡轮)模拟自主知识产权软件建立了基础。


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