涡轮叶栅三维气热耦合数值模拟

涡轮导向器内部流场气-热耦合数值计算姚四伟1,葛 宁2,张力先1(1.空军第三飞行学院,辽宁锦州121000;2.南京航空航天大学,江苏南京210016)摘 要:通过对某待定型航空发动机第一级涡轮导向器内部流场采用气-热耦合的数值模拟,研究分析了涡轮导向器内部流场的主要流动特征,给出了叶片表面的温度分布规律,对高性能的涡轮叶片设计有重要的指导意义。

关键词:航空发动机;涡轮导向器;数值模拟;气O 热耦合中图分类号:O 242 文献标识码:A 文章编号:1671O 654X (2006)05O 0069O 04引言在现代高性能的涡轮设计中,气动性能与涡轮冷却分开研究已不适应当前发动机发展的要求,对先进的航空燃气涡轮发动机而言,涡轮前燃气温度越来越高,采用更好的耐高温材料以及设计出更有效的冷却结构越来越引起人们的重视,不好的冷却结构常常带来叶片或涡轮局部被烧蚀的不良后果。

提高冷却的有效性、以更少的冷气取得更佳的冷却效果,一直是高性能涡轮设计者关注的重要问题之一。

人们在高度重视高性能涡轮设计的同时,也清楚认识到这种高性能设计与充分了解其内部流场、温度场是密不可分的[1]。

因此,针对某待定型航空发动机第一级涡轮导向器叶片端部被烧蚀的现象,开展其内部流场的气-热耦合数值模拟,进行其气动)传热特性的研究,具有重要的意义和工程实用价值,这对现代高性能涡轮的设计有着重要的意义。

1 控制方程1.1 流场控制方程时间平均无量纲化任意曲线坐标系下N -S 方程:9U%9t+9E %9E +9F %9G +9G %9N =1r (f %1+f %2)+9Q %9E +9R %9G +9S%9N其中U %是未知变量矢量的一般形式,E %、F %、G %为无粘通量,Q %、R %、S %为粘性通量,f %1、f %2为源项,具体表达式见文献[2]。

1.2 叶片温度场控制方程对于以叶片为例的固体控制体,各部分之间的相对位移为0,把基本方程中的能量方程化简并在非正交曲线坐标系下展开得到:9T 9t à#(r àT )=e A #99xA r eB 9T9x B =r 9x A 9y n 9x B 9y n 92T 9x A 9x B +9x A 9y n 9T 9x B 99x A r 9x B9y n 其中r =K ÞQ C 。

基于数值模拟的航空发动机涡轮叶片气动热仿真分析随着科技的不断发展，人类探索未知事物的能力也在不断提升。

作为人类发明的最伟大的机器之一，航空器的发展速度也越来越快。

而其中的关键部件之一就是航空发动机。

航空发动机可以看作是一个高速运动的机器人，它不仅需要提供动力，还需要对飞行气流进行调节。

而为了保证其运行的高效性和安全性，对发动机的研究也越来越深入。

本文将结合数值模拟的方法，对航空发动机涡轮叶片的气动热进行仿真分析。

一、数值模拟的基本原理数值模拟是指通过计算机模拟现实中的物理过程，以获取物理量的数值解。

在模拟航空发动机的过程中，数值模拟的方法得到了广泛应用，因为它可以有效地模拟出发动机各个部件的性能。

在数值模拟中，通常需要考虑流体运动的各种物理效应，如流体力学、传热学、化学反应等。

其中，流体力学是数值模拟中最关键的一部分。

二、航空发动机涡轮叶片的气动热涡轮叶片是航空发动机中的重要部件之一，主要负责将高温、高压的燃气能量转化为机械能，来驱动飞机进行飞行。

在发动机工作时，由于气流高速通过涡轮叶片，叶片表面会受到高温高压的冲击，会导致叶片变形、磨损和疲劳。

因此，对发动机涡轮叶片的气动热进行仿真分析非常有必要。

三、基于数值模拟的航空发动机涡轮叶片气动热仿真分析在对航空发动机涡轮叶片的气动热进行仿真分析时，需要考虑流场性质和热传导状态。

在考虑流场性质时，通常会采用 Reynolds 平均 Navier-Stokes(RANS) 方程和 Unsteady Reynolds 平均 Navier-Stokes(URANS) 方程模拟气流的流动情况。

同时，在进行气动热分析时，还需要考虑叶片表面与气体的传热和热辐射传输。

通常采用热传导方程、流体传热方程、热辐射方程等方法分析气动热问题，以了解叶片的表面温度和温度分布情况，以及叶片受到气流冲击时的变形情况。

四、基于数值模拟的航空发动机涡轮叶片气动热仿真分析的应用基于数值模拟的航空发动机涡轮叶片气动热仿真分析在飞机制造和维护过程中具有非常重要的应用价值。

航空发动机气冷涡轮叶片的气热耦合数值模拟研究航空发动机气冷涡轮叶片的气热耦合数值模拟研究1.引言航空发动机是现代航空器的关键部件之一，具有复杂的结构和工作环境。

在发动机的工作过程中，涡轮叶片是承受最高温度和压力的部件之一。

为了保证发动机的正常运转和提高其功率输出，涡轮叶片的冷却问题一直是研究的关注焦点。

2.发动机涡轮叶片的冷却问题涡轮叶片在工作过程中不仅要承受高温气体的冲击，还要承受高速气流的冲刷，如果不进行有效的冷却，叶片可能会因过热而发生变形、裂纹或熔断，从而导致发动机失效。

3.气冷涡轮叶片的冷却方式气冷涡轮叶片是通过将冷却气体引入叶片内部进行冷却的一种方式。

冷却气体可以通过管道或孔洞注入叶片，形成内部的冷却膜层，有效降低叶片的温度。

冷却气体还可以通过翼根和主流气体之间的间隙进入叶片内部，形成叶片底部的冷却腔，进一步提高叶片的冷却效果。

4.气冷涡轮叶片的气热耦合数值模拟方法为了研究气冷涡轮叶片的冷却效果，可以采用数值模拟方法。

首先，需要建立叶片的三维数值模型，包括叶片的几何形状和流动领域。

然后，根据叶片的实际工作条件，确定流场的边界条件和初始条件。

接着，通过求解流场的动态方程和能量方程，得到叶片的温度分布和冷却效果。

5.数值模拟结果分析通过数值模拟，可以得到气冷涡轮叶片的温度分布和冷却效果。

分析结果发现，叶片底部的冷却腔对叶片的冷却效果影响较大。

当冷却腔的冷却气体流量增加时，叶片的温度降低幅度也增加。

同时，冷却气体的入口温度和速度也会影响叶片的冷却效果，其中，入口温度较低和速度较高时，冷却效果比较好。

6.模拟结果与实验结果对比为了验证数值模拟的准确性，可以与实验结果进行对比。

通过比较实验结果和数值模拟结果，发现两者之间的差距较小，说明数值模拟方法能够较好地预测气冷涡轮叶片的冷却效果。

7.结论通过本研究的数值模拟方法，可以准确预测气冷涡轮叶片的温度分布和冷却效果。

根据模拟结果，可以优化叶片的冷却结构和参数，提高叶片的冷却效果，确保发动机的正常运行。

《基于流固耦合的涡轮叶片三维非定常数值模拟》论文摘要编写关键词：流固耦合，;涡轮叶片，非定常，数值模拟涡轮是燃气轮机的核心部件之一，涡轮转子叶片是高温、高负荷、结构复杂的典型热端结构，其性能和可靠性直接关系到燃气轮机的性能、耐久性、可靠性和寿命。

对涡轮而言，现代先进燃气轮机均有高温、高压和高转速的“三高”特性。

涡轮内部流场是非常复杂的粘性、非定常三维运动，不可避免地出现主要由各种涡系构成的二次流。

这些流动现象，很难进行高精度的捕捉，再加之流固耦合的作用，非定常的流场分析将会更加困难。

这些无论是对涡轮的气动性能还是安全性，都有很大的影响。

涡轮转子叶片在发动机工作时，除承受转动产生离心力、离心弯矩和离心扭矩外，还受到气动力产生的弯矩、扭矩和轴向力的作用。

另外，流场的非定常气动载荷也可能会对涡轮转子叶片产生复杂的激振，可能会导致叶片的长期高周激振而发生高周疲劳断裂。

因此，开展基于流固耦合的非定常流动数值模拟来研究流场与结构的相互作用，对于考察涡轮的流动特性和叶片的动力响应具有重要意义。

本文结合使用CFD和CSD程序，在流固耦合平台上对非定常流场与叶片结构的相互作用进行数值模拟计算，并通过涡轮的模型试验，验证了数值模拟计算的可行性和可靠性。

主要分为四个部分：（1）采用商业软件ANSYS CFX进行低压涡轮的定常流场数值模拟，意在初步判断涡轮的流动特性，验证设计的合理性和可行性，同时为基于流固耦合的非定常数值模拟提供初场。

结果表明该涡轮流动稳定，没有出现大规模的分离，转子叶片的叶尖位置出现明显的二次流；（2）以上一步的定常数值模拟结果为初场，进行基于流固耦合的三维非定常数值模拟。

与定常模拟的结果相比，耦合计算下的叶盆的静压分布并没有出现明显的变化，而叶背的静压在幅值和范围上都出现明显的下降；通过对沿流向不同位置的流场进行分析发现，叶片的叶尖尾缘附近流场出现了明显的二次流扰动。

对转子叶片叶尖尾缘附近的网格点进行位移监控，得到了稳定的网格振动特性；（3）对转子叶片进行不同转速下的固有模态分析，— 1/2 —— 1/2 —获得该涡轮的共振转速图，从而确定了该涡轮从起动至设计点工作状态的四个共振转速。

《航空发动机气冷涡轮叶片的气热耦合数值模拟研究》篇一摘要本文主要对航空发动机中气冷涡轮叶片的气热耦合现象进行了深入的数值模拟研究。

首先概述了该研究的目的、方法和主要内容。

通过使用先进的数值模拟技术，对气热耦合现象进行了详细的分析和讨论，并得出了相应的结论。

本文旨在为航空发动机的设计和优化提供理论依据和指导。

一、引言随着航空工业的快速发展，航空发动机的性能要求越来越高。

其中，气冷涡轮叶片作为航空发动机的关键部件之一，其性能的优劣直接影响到发动机的整体性能。

因此，对气冷涡轮叶片的气热耦合现象进行研究具有重要的工程实际意义。

本文采用数值模拟的方法，对气冷涡轮叶片的气热耦合现象进行深入的研究和分析。

二、气热耦合数值模拟方法1. 物理模型与数学描述气热耦合现象涉及到流体动力学、传热学、热力学等多个学科领域。

本文首先建立了气冷涡轮叶片的物理模型，并使用计算流体动力学（CFD）和传热学理论，对气热耦合现象进行了数学描述。

通过建立合理的数学模型，为后续的数值模拟提供了基础。

2. 数值方法与求解过程在数值方法上，本文采用了高精度的有限元方法和有限体积法，对气冷涡轮叶片的气热耦合现象进行了数值模拟。

通过求解流体动力学方程、传热方程等，得到了气冷涡轮叶片内部流场、温度场等物理量的分布情况。

在求解过程中，采用了迭代法和多网格法等技术，保证了求解的精度和效率。

三、气热耦合现象的分析与讨论1. 流场与温度场分析通过对气冷涡轮叶片的数值模拟，得到了内部流场和温度场的分布情况。

结果表明，气冷涡轮叶片内部的流场分布不均匀，存在较大的速度梯度和压力梯度。

同时，由于气冷效应的存在，叶片内部的温度分布也呈现出不均匀的状态。

这些现象都会对气冷涡轮叶片的性能产生影响。

2. 气热耦合效应的分析气热耦合效应是气冷涡轮叶片性能的重要因素之一。

通过对数值模拟结果的分析，发现气热耦合效应对流场和温度场的影响是相互的。

一方面，流场的不均匀性会导致温度场的不均匀分布；另一方面，温度场的不均匀分布也会影响流场的分布和流动状态。

涡轮导向叶片热冲击双向耦合数值研究艾延廷;包天南;关鹏;臧也【摘要】航空发动机涡轮导向叶片热冲击过程是一个典型的固体变形场、温度场和流场三场耦合作用问题,工况复杂.基于流固热耦合理论,求解一维平板模型热弹性解析解;并进行数值模拟和对比分析,验证了双向耦合方法的有效性.应用建立的双向耦合方法对某涡轮导向叶片热冲击过程进行数值模拟,得到了涡轮导向叶片表面温度及热应力分布规律.研究表明,提出的双向耦合方法可以有效地预测涡轮导向叶片的温度及应力分布规律,计算温度与试验误差小于5% ;应力集中处与试验中叶片破坏区域一致.研究对航空发动机涡轮叶片热冲击过程数值模拟提供了有效方法.%The thermal shock of aero-engine vanes is a typical problem of the thermo-structural-fluid coupling action.By contrasting the analytical solution of one-dimensional slab model with the results of simulation, they are basically in accordance, which confirm the effectiveness of the bidirectional coupling method.The surface tempera-ture field and distribution law of thermal stresses of turbine vane were evaluated with numerical calculation on the basis of thermal-shock model according to bidirectional coupling method.The result shows that establish the bidi-rectional coupling method can predict the surface temperature field and distribution law of thermal stresses of turbine vane pared the calculated data with the experiment, the temperature error is less than 5% , the stress concentration sites consist with the blade failure area.The research provided an effective method to numerical simulate the thermal-shock problems of aero-engine turbo blade.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2018(018)015【总页数】8页(P162-169)【关键词】涡轮导向叶片;双向耦合;热力耦合项;热应力;温度场【作者】艾延廷;包天南;关鹏;臧也【作者单位】沈阳航空航天大学辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室,沈阳110136;沈阳航空航天大学辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室,沈阳110136;西北工业大学动力与能源学院,西安710072;沈阳航空航天大学辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室,沈阳110136【正文语种】中文【中图分类】V235.11随着航空发动机设计要求的提高，涡轮前温度上限也不断提升，现代先进航空发动机涡轮前温度已经超过2 000 K [1，2]。

航空发动机气冷涡轮叶片的气热耦合数值模拟研究引言航空发动机是实现飞机动力的关键设备之一。

在高温高压的工作环境下，发动机的效率和可靠性对于飞机的性能和安全至关重要。

气冷涡轮叶片作为发动机关键部件之一，其受到高温气流的冷却是确保叶片运行稳定的关键。

本文将通过气热耦合数值模拟分析，研究航空发动机气冷涡轮叶片的工作特性和冷却效果，为提高叶片的寿命和发动机性能提供理论依据。

1. 数值模拟模型建立在研究中，我们首先建立了航空发动机气冷涡轮叶片的三维几何模型。

该模型充分考虑了叶片表面细微几何特征和冷却通道的几何形状。

同时，根据发动机工作参数和冷却系统设计，我们还建立了气流和热流传输的数学模型。

这些模型包括了湍流模型、传热模型和热弹性模型，以确保数值模拟结果的准确性和可靠性。

2. 数值模拟结果分析基于建立的数值模拟模型，我们对航空发动机气冷涡轮叶片的工作特性和冷却效果进行了分析。

首先，我们模拟了不同工作工况下叶片表面温度的分布情况。

结果显示，在发动机高温气流的冷却下，叶片表面的温度分布非常均匀，且最高温度低于叶片材料的极限温度，从而保证了叶片的工作安全性。

接下来，我们分析了冷却通道的设计和冷却气流参数对叶片冷却效果的影响。

通过改变冷却通道的形状和尺寸，我们发现增加冷却气流的速度和流量可以有效降低叶片的表面温度。

此外，我们还讨论了冷却通道的布置方式对叶片冷却效果的影响，并提出了一种更合理的布置方式以提高叶片的冷却效果。

最后，我们分析了叶片材料的热弹性特性对叶片的工作状态和寿命的影响。

通过模拟叶片在高温高压工况下的热膨胀和应力分布，我们得出了改善叶片材料热弹性特性的方案，从而延长叶片的使用寿命。

结论本文通过气热耦合数值模拟研究，对航空发动机气冷涡轮叶片的工作特性和冷却效果进行了深入分析。

研究结果表明，在合理的冷却通道设计和冷却气流参数下，能够有效实现叶片的冷却，并确保叶片在高温高压动力环境下的安全运行。

此外，通过改善叶片材料的热弹性特性，还能延长叶片的使用寿命，进一步提高发动机的性能和可靠性。