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航空发动机叶片间隙对性能影响的数值模拟分析航空发动机作为现代飞行器的核心动力装置，其性能的稳定和高效对于航空安全和经济发展至关重要。
在发动机的各个组件中，叶片是决定其性能的重要因素之一。
而叶片间隙作为影响叶片性能的关键参数，对发动机的工作效率和寿命有着重要影响。
本文将通过数值模拟的方法，对航空发动机叶片间隙对性能的影响进行分析。
首先，我们需要了解航空发动机叶片间隙的定义和作用。
叶片间隙是指叶片与相邻部件之间的距离，它的大小直接影响着叶片的工作状态和流体动力性能。
叶片间隙的存在可以保证叶片能够自由地旋转，并且在高温和高压的工作环境下，减少叶片与相邻部件之间的磨擦和热传导，提高叶片的工作效率和寿命。
接下来，我们将使用数值模拟的方法对叶片间隙对性能的影响进行分析。
数值模拟是通过建立数学模型，利用计算机进行求解的方法，可以快速准确地模拟流体动力学过程。
我们将选择一种常见的航空发动机叶片类型，建立其几何模型和流体动力学模型。
然后，在不同叶片间隙条件下，利用计算流体力学软件进行数值模拟，得到叶片的流场分布、叶片表面温度和压力变化等关键数据。
基于所获得的数值模拟结果，我们将进行性能分析。
首先，我们可以分析不同叶片间隙条件下的流动特性。
通过比较不同间隙条件下的叶片表面压力分布和流动轮廓，我们可以了解叶片间隙对流动分离、湍流和压力反转等现象的影响。
其次，我们还可以分析叶片间隙对发动机效率的影响。
通过计算不同间隙条件下的总压比、总温升和压缩机效率等指标，我们可以得出叶片间隙对发动机性能的具体影响。
最后，我们还可以分析叶片间隙对叶片表面温度的影响。
通过计算不同间隙条件下的叶片表面温度分布，我们可以了解叶片间隙对冷却效果的影响，进而得出叶片间隙对叶片寿命的影响。
基于以上分析，我们可以得出以下结论。
首先，适当的叶片间隙可以优化叶片的流动特性，减小流动分离和湍流等不利现象，提高叶片的工作效率。
其次，适当的叶片间隙可以降低叶片表面温度，提高叶片的寿命。
液力透平叶片型线优化及内部流动特性研究液力透平叶片型线优化及内部流动特性研究一、引言液力透平作为一种能量转化装置，在现代工业中被广泛应用。
其工作原理是利用流体在叶轮中产生的动能转化为机械能，通过轴向流的一系列变换过程，实现能量的转化与传递。
而叶轮是液力透平的核心部件，其叶片型线的设计对于透平的性能有重要影响。
因此，液力透平叶片型线优化及内部流动特性的研究至关重要。
二、叶轮叶片型线的优化设计叶轮叶片型线的优化设计是液力透平设计中最关键的环节之一。
叶轮叶片型线的优化目标是使得流体在叶轮中能够实现最大的动能转化，并降低能量损失。
传统的叶片型线设计方法主要基于经验公式和试验数据，而现代优化设计方法则采用基于数值模拟的优化算法，如遗传算法、粒子群算法等。
三、叶片型线的优化算法近年来，遗传算法在液力透平叶片型线优化中得到了广泛应用。
遗传算法是一种模拟自然进化过程的优化算法，其优点是能够全局寻优，而不受初始解的影响。
在叶片型线的优化过程中，首先需要确定优化的目标函数，如最大化流体动能转化效率、最小化能量损失等。
然后，通过不断地迭代计算，逐步优化叶片形状，直至满足设计要求。
四、内部流动特性的研究液力透平的性能与其内部流动特性密切相关。
对于液力透平内部流动特性的研究可以通过数值模拟和实验方法相结合来实现。
数值模拟方法可以利用计算流体力学（CFD）软件对流体在叶轮中的流动过程进行模拟，从而得到流体的速度、压力和温度分布等参数。
实验方法则可以通过建立实验台以获得流场实际数据，与数值模拟结果进行对比验证。
五、内部流动特性的影响因素内部流动特性主要受到液体性质、叶轮叶片型线、进口流量等因素的影响。
液体性质如粘性、密度等对流体流动的阻力和能量损失有重要影响；叶片型线的形状决定了流体在叶轮中的流动路径和速度分布；进口流量的大小和分布也会影响流体在叶轮中的流动情况。
六、流动特性的改善措施根据对内部流动特性的研究，可以采取一系列改善措施来提高液力透平的性能。
万方数据砷夯与分析—＿Ｉ一・机械研究与应用・——＿——＿＿—－・——・一设计计算的叶顶间隙分别为Ｏｍｍ、０．５ｍｍ、１．Ｏｍｍ、１．５ｍｍ、２．Ｏｍｍｏ设轴流风扇叶顶间隙为艿，叶片叶高为Ｚ，则所计算叶片的相对间隙∥ｉ分别为图ｌ轴流风扇叶轮结构简图Ｏ％、０．５％、１．Ｏ％、１．５％及２．０％。
表１轴流风扇几何参数表３计算结果及分析３．１总体性能分析叶顶间隙对轴流风扇的压头和效率都有较大影响。
全压随叶顶间隙的变化图，如图２所示。
从图２中可以看出，在相对间隙小于０．５％的区域，间隙增大，全压变小，但变化量不大；当相对间隙大于０．５％时，随着间隙的增大，压力迅速下降，且在０。
５％一１．０％的区域内，下降最快；在相对间隙１．Ｏ％一２．０％的区域，下降的幅度相对前者逐渐趋于平缓。
图３所示为效率随叶顶间隙的变化曲线，其变化规律与压力的变化规律相似。
在相对间隙０～０，５％的范围内，效率基本不变。
实践证明，当相对间隙较小时，间隙可能已被环端面的附面层所阻塞，因此对效率的影响不大。
综合图２、３可知。
随着叶顶间隙的增大，轴流风扇的压头和效率都将减小，且当相对间隙小于０．５％时，减小量最小。
■～翊删１１２．ＵＯ．啪．啪．１０４．】０２．瑚．，４．０蔓孔５鼍餐６Ｔ．０确母。
５０．００．５１．０１．５２．０叶顶问骧／＿图２全压随叶顶间隙的变化０．００．５Ｌ０１．５２．０时顶问骧＾图３效率随叶顶间隙的变化３．２流动特性分析为了研究叶顶间隙对轴流风扇流动的影响，首先・１８・从轴向速度变化情况进行分析。
图４给出了不同叶顶间隙情况下，轴向速度沿叶高方向的变化规律。
从图４中可以看出，轴向速度的变化趋势在５０％叶高处，发生改变；在５０％叶高上方，随着叶顶间隙的增大，轴向速度减小，且在相对间隙０—０．５％的区域最为明显；在相对间隙０．５％～２．Ｏ％的范围内变化较小，甚至趋于重合；在５０％叶高下方区域，随着叶顶间隙的增大。
轴向速度变小，但整个波动范围较小，变化最大的区域同样发生在相对间隙Ｏ一０．５％的区域，但较之上方区域，变化要小。
透平叶片近前缘端壁处换热性能的研究李劲劲;何坤;晏鑫;李国君【摘要】采用计算流体动力学软件ANSYS CFX11.0、以NASA跨声速透平第一级动叶为研究对象,对带气膜冷却孔的叶栅近前缘端壁区域的流动和换热特性进行了研究,计算获得了3种气膜孔分布条件下,吹风比分别为0.3、0.5、0.7以及孔径分别为1 mm、1.5 mm时叶栅端壁处的流场结构和斯坦顿数分布.计算结果表明:气膜孔的数目及分布对端壁换热性能和换热均匀性有显著影响,减小孔间距与孔径的比值可以降低前缘端壁的换热系数、提高端壁换热的均匀性;吹风比对冷却流的作用范围和贴壁性有很大影响,所研究的3种吹风比中,吹风比为0.5时壁面换热系数最小,吹风比为0.7时换热系数最大;当吹风比保持0.5不变且气膜孔的直径由1 mm增大到1.5mm时,冷却流在端壁上影响的距离增加,相邻冷却流之间区域的换热强度降低.该结果可为透平动叶端壁换热特性的改善和气膜冷却特性的提高提供参考.%Taking the first stage rotor blade of NASA transonic turbine as the research object and using computational fluid dynamics software ANSYS-CFX11.0,the flow and heat transfer performance of the endwall near the blade leading edge was investigated.The flow field structure and Stanton number distribution near the blade endwall were numerically analyzed at three blowing ratios and two different cooling-hole diameters with three kinds of cooling-hole arrangements.The numerical results obtained indicate that the heat transfer performance and heat transfer uniformity on the blade endwall are greatly affected by the number and layout of film-cooling holes.The heat transfer coefficient on the blade endwall near leading edge is reduced by decreasing the hole-pitch to hole-diameterratio.However,the heat transfer uniformity on the endwall is increased correspondingly.It is also seen that the influencing area and adherence property of the coolant to the endwall are significantly influenced by the blowing ratio.Among the studied three blowing ratios,the lowest heat transfer rate on the blade endwall near leading edge is obtained at the blowing ratio 0.5,while the largest heat transfer rate is derived at a blowing ratio of 0.7.At a fixed blowing ratio 0.5,the coverage of the ejected coolant downstream the cooling hole is enlarged as the cooling-hole diameter increases from 1mm to 1.5 mm.However,the heat transfer rate on the endwall between adjacent cooling jets is decreased subsequently.The present research results can provide a reference to improve the heat transfer performance of the turbine rotor blade endwall as well as the film cooling effect.【期刊名称】《西安交通大学学报》【年(卷),期】2017(051)007【总页数】8页(P44-50,104)【关键词】端壁;换热;气膜冷却【作者】李劲劲;何坤;晏鑫;李国君【作者单位】西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安;西安交通大学能源与动力工程学院,710049,西安【正文语种】中文【中图分类】TK474.7燃气透平是现代工业重要的动力设备。
燃气透平叶片表面流动与换热的数值计算与验证杨玉骏;戴韧【摘要】The wall temperature of the gas turbine blade depends on the ability of heat transfer on the internal and external the blade surfaces.Accurate prediction of the heat transfer coefficient on the external surface is the basis for the design of blade cooling structure. Commercial CFD software Fluent was used to simulate the flow and heat transfer of VKI-LS89 turbine guide vane in this paper.CFD re-sults were compared with the VKI experimental data.Steady RANS with the transition model gives reliable solutions when the wall's normal grid dimension y+is less than 5.Solutions of LES with near wall viscosity WALE model agree with experiment data at subsonic flow conditions when the grid normaly+reaches near one.However at transonic conditions, LES solutions contain a postponed transi-tion.Heat transfer coefficient is evidently lower than test data and worse than that from RANS.Simulation with proper transition RANS flow model is of larger value for engineering purposes than a LES one with insufficient meshing quality.%燃气透平叶片表面温度决定于叶片内外表面的换热能力，准确预测叶片外表面换热系数是冷却结构设计的基础。
液力透平的数值计算与试验杨孙圣;孔繁余;邵飞;薛玲【摘要】设计了液力透平试验台,对一单级液力透平进行了试验,得到了外特性曲线.采用全流场和结构化网格技术对液力透平内部流动进行了数值计算.分析了液力透平在不同流量下的压力场和速度场,得到了内部流场的分布规律.应用速度三角形对液力透平叶轮和尾水管内部速度场随流量变化规律进行了研究.结果表明:离心泵反转可用作透平运行,并具有较高的效率；最高效率的数值计算与试验结果相对误差为4.85％；透平内部的压力从蜗壳进口经叶轮到尾水管逐渐减小,进出口压差随流量增加而逐渐增加；在透平叶片背面和工作面存在漩涡区域,漩涡位置和区域大小随流量而变化；在尾水管横截面上存在的圆周速度分量随流量而变化.%A test rig for single stage hydraulic turbine was designed to obtain extra performance curves through experiment. Numerical simulation of the designed hydraulic turbine was performed by all domains and structural mesh technique. The pressure field and velocity field at different flow rate were discussed to acquire flow field distribution within hydraulic turbine. The variation of velocity field within turbine impeller and outlet pipe at different flow rate was analyzed according to velocity triangle. The results show that a centrifugal pump can run reversely as high efficiency turbine without any modification. The relative error at the best efficiency between numerical calculation and experimental results is 4. 85%. The absolute pressure within hydraulic turbine decreases gradually along the volute, impeller and outlet pipe, while the pressure difference between inlet and outlet increases with the increase of flow rate. Vortex regions are locatedat impeller blade suction and pressure side with location and region size varied by flow rate. The absolute tangential velocity at outlet pipe section is varied with flow.【期刊名称】《江苏大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(033)002【总页数】5页(P165-169)【关键词】液力透平;数值计算;试验;反转;漩涡【作者】杨孙圣;孔繁余;邵飞;薛玲【作者单位】江苏大学流体机械工程技术研究中心,江苏镇江212013;江苏大学流体机械工程技术研究中心,江苏镇江212013;江苏大学流体机械工程技术研究中心,江苏镇江212013;江苏大学流体机械工程技术研究中心,江苏镇江212013【正文语种】中文【中图分类】TH322泵是可逆式旋转机械，液力透平是将泵反转作透平运行，实现对高压液体的回收利用，因此又称为泵作透平(pump as turbine，PAT).液力透平具有体积小、结构简单、造价低、维修方便等优点，在化工处理过程中余压液体能量的回收和小型水利水电资源开发应用等节能技术领域有着广泛应用［1］.人们对液力透平的研究，自20世纪30年代C.P.Kittredge等［2］首次发现泵可以反转用作透平运行至今已有80多年的历史.现有的研究手段有试验和数值计算2种，对液力透平的试验研究主要集中在通过对泵在正反转工况下的外特性研究，找到泵在2种工况下之间的联系，提出液力透平选型方法［3-5］，而对液力透平高效设计方法的研究较少［6-8］.随着计算机技术的发展，应用CFD技术研究液力透平内部流动成为可能，但已有研究表明液力透平CFD计算结果与试验结果相对误差较大［9］.因此弄清液力透平内部流动规律，提高液力透平数值计算的准确性和效率是液力透平研究的方向.笔者以比转速为63的单级液力透平为研究对象，在江苏大学流体机械工程技术研究中心设计一个开式液力透平试验台，测量得到液力透平的外特性曲线.对液力透平内部流动进行数值计算，验证数值计算的准确性.分析液力透平内部流场，初步弄清液力透平内部流场分布规律，为进一步提高数值计算的准确性和液力透平的效率奠定基础.1 试验系统图1为开式液力透平试验台.高压泵提供液力透平运转必须的能量，高压泵出口端的调节阀调节透平的流量，流量计测量进入透平的流量，负载泵消耗液力透平回收的压力能，调节负载泵控制液力透平的转速到额定转速，扭矩仪测量透平轴端的扭矩和转速，透平进出口端的压力表测量透平进出口压力.通过测量液力透平进出口压力、扭矩、转速、流量等参数，计算液力透平的轴功率、扬程和效率.扭矩仪和流量计的测量误差分别为±0.2%和±0.5%，压力表精度为0.4级.图1 开式液力透平试验台2 液力透平的主要参数研究对象为一单级液力透平，其设计参数:流量85 m3·h-1，扬程32 m，转速1 500 r·min-1.主要几何参数:叶轮进口直径D1=102 mm，叶轮外径D2=235 mm，叶轮出口宽度b2=15.14 mm，叶片厚度4 mm，叶片进口安放角β1=39°，叶片出口安放角β2=25°，叶轮轮毂直径 D h=30 mm，叶片数 z=6，叶轮口环长度l=15 mm，圆柱形叶片，口环单边间隙0.47 mm，叶轮旋转方向顺时针.蜗壳基园直径D4=266 mm，蜗壳进口宽度b3=26 mm，蜗壳出口直径D5=65 mm，蜗壳断面形状为圆形.图2为液力透平及其叶轮.图2 液力透平及其叶轮3 数值计算3.1 网格生成在离心泵数值计算过程，通常不考虑前后腔内部的流体，用经验公式估算出容积效率和机械效率，再对数值计算结果修正［10］.当泵作透平运行时，泵的出口成为透平的进口，透平内部流动规律与泵的流动规律相差很大，这时数值计算如果不考虑前后腔内部的流体，计算结果与试验结果相差较大［9］，因此文中对液力透平进行了全流场数值计算.由于非结构网格很难对前后腔内较小的间隙进行较好地处理，因此在对过流部件进行网格划分时采用了六面体结构化网格技术，边界层y+≥40.图3为叶轮的流道和全流场网格装配图.图3 叶轮的流道和全流场网格装配对该模型的网格无关性进行了研究，当网格数在95万个以上时，效率的变动范围小于0.5%，因此网格数应在接近100万个时较为合适.用于数值计算的蜗壳、叶轮、前腔、后腔、尾水管的网格数分别为479 710，378 222，134 956，129 700，174 720 个，网格总数1 297 308个.3.2 参数设置采用ANSYS-CFX流场分析软件对液力透平内部流动进行数值求解分析.分析类型为稳态，透平进口条件设为静压进口，出口设为质量流量出口［11］，通过调节出口的质量流量获得液力透平的外特性曲线.计算收敛精度设为10-5，壁面粗糙度设为50μm，输送介质选用25℃的水，湍流模型选用k-ε湍流模型，过流部件动静结合部位用frozen rotor interface连接，静止过流部件之间用general connection连接.4 结果分析4.1 试验与数值计算结果比较为了研究数值计算的准确性，对液力透平的数值预测结果与试验结果进行了比较，图4为液力透平试验与数值计算的得到的外特性曲线.表1为最高效率点的流量Q、扬程H、轴功率P O、效率η试验与数值计算结果.表1 最高效率点的试验与数值计算结果86.14 32.40 4.56 59.98数值计算值85.00 33.15 4.82 62.89相对误差/%试验值项目Q/(m3·h-1) H/m P O/kW η/% 1.32 2.31 5.39 4.85图4 液力透平数值计算与试验结果比较从图4可以看出，随着流量的增加，液力透平的效率先增加而后逐渐下降，最高效率点前效率曲线比较陡峭，最高效率点后效率曲线变得相对较为平坦.根据液力透平的效率曲线分析，液力透平最好运行在大流量区域，当系统流量减小时，透平的效率和有效功率不会迅速下降.与泵的外特性曲线不同，液力透平的扬程和有效功率随流量增加逐渐增加.从图4和表1可以看出，液力透平数值计算结果与试验结果误差较小，数值计算结果略高于试验结果，最高效率的数值计算与试验结果相对误差为4.85%.数值计算结果高于试验结果的原因是数值计算的过程中没有考虑平衡孔泄露，同时忽略了轴承和机械密封摩擦引起的机械摩擦损失，因此数值计算结果比试验值稍大.4.2 内部流动分析4.2.1 压力分布图5为不同流量下液力透平中间平面z=0上蜗壳和叶轮内部静压力p分布情况.Q0为最优工况点的流量.图5 不同流量下的压力分布从图5可以看出，透平内部的压力从蜗壳进口到叶轮出口逐渐减小，压力最低点出现在叶轮出口位置.液力透平运行时，高压液体沿着流道经蜗壳、叶轮最后从尾水管流出，在液体流经叶轮的过程中，高速液体冲击叶轮旋转，液体具有的压力能转化为透平轴的旋转机械能，因此液体压力沿着流道逐渐降低;由于蜗壳几何结构的不对称造成各流道的压力分布不完全对称，这种压力分布的不对称是叶轮径向力产生的原因;随着流量的增加，透平内部压差也逐渐增加，轴功率也相应地增加，这与液力透平的流量扬程和流量轴功率的关系曲线正好吻合.4.2.2 蜗壳叶轮内部速度分布图6为透平在不同流量下叶轮与蜗壳内部的速度v与漩涡分布.叶轮内部的流场分布较为紊乱，在叶片背面和叶片工作面进口位置处分别存在2个漩涡区域.靠近叶片背面的漩涡旋转方向与叶轮旋转方向相同，靠近叶片工作面进口位置处的漩涡旋转方向与叶轮旋转方向相反;随着流量的增加，2个漩涡逐渐向叶轮进口位置平移，叶片背面的漩涡区域逐渐增加，叶片工作面的漩涡区域逐渐减小.图6 不同流量下叶轮与蜗壳内速度分布图7为叶轮进口的速度三角形.v1为液流的绝对速度;α1为绝对液流角，由蜗壳的几何形状决定，不随流量而改变［12］;u1为叶轮的圆周速度，为定值;w1为相对速度.图7 叶轮进口速度三角形随着流量Q的增加，轴面速度v m1增加为v m1'，因此相对液流角β1也增加为β1'.叶片进口冲角α=β1-βb，其中βb为叶片安放角.当相对液流角β1增加时，冲角α也增加，这时就会出现位于叶轮流道的2个漩涡会向叶轮进口位置平移，并且叶片背面的漩涡区域逐渐增加，叶片工作面的漩涡区域逐渐减小的现象.4.2.3 尾水管速度分布图8为不同流量下尾水管横截面上圆周速度v3的分布，其中横截面距离叶轮出口位置15 cm.图8 不同流量下尾水管内圆周速度分布在小流量和最高效率点时，尾水管内流体的圆周运动方向均与叶轮旋转方向相同，在大流量时，尾水管中心附近水流的旋转方向与叶轮运动方向相反，为逆时针旋转. 图9为叶轮出口速度三角形，在小流量工况，绝对速度方向与叶轮旋转方向相同.当流量增加时，轴面速度v m2增加为v m2'，相对速度w2增加为 w2'，绝对速度v2增加为v2'，此时v2'的方向与叶轮旋转方向相反，因此在大流量工况下，尾水管中心位置附近水流旋转方向与叶轮运动方向相反.图9 叶轮出口速度三角形5 结论对液力透平进行了试验，得到了一单级液力透平的外特性曲线，试验验证了离心泵完全可以在透平工况下稳定运行，并且具有较高的效率.采用全流场和结构化网格技术对液力透平进行了数值计算与分析，试验与数值计算结果对比表明:数值计算结果与试验结果较为接近，最高效率的相对误差为4.85%，采用CFD技术可以较准确地预测液力透平特性曲线.液力透平对不同流量下内部流场的研究发现:透平内部的压力场从蜗壳进口经叶轮到尾水管压力逐渐减小，透平进出口压差随流量增加而逐渐增加，这与液力透平的流量与扬程和流量与轴功率曲线相吻合;在透平叶片背面和工作面分别存在漩涡区域，漩涡分布位置和漩涡区域大小随流量而变化;在尾水管横截面上存在圆周速度分量，并随流量而变化.参考文献(References)【相关文献】［1］ Williams A.Pumps as turbines used with induction generations of stand-alonemicro-hydroelectric power plants［D］.Nottingham:Polytechnic，1992.［2］ Kittredge CP，Thoma D.Centrifugal pumps operated under abnormal conditions ［J］.Power，1931，32:881-884.［3］ Amelio M，Barbarelli S.A one-dimensional numerical model for calculating the efficiency of pumps as turbines for implication in micro-hydro power plants［C］∥Proceeding of ESDA:7th Biennial ASME Conference En gineering Systems Design and Analysis.Manchester，UK:［s.n.］，2004:19-22.［4］ Derakhshan S，Nourbakhsh A.Experimental study of characteristic curves of centrifugal pumps working as turbines in different specific speeds［J］.Journal of Experimental Thermal and Fluid Science，2008，32:800-807.［5］ Williams A.The turbine performance of centrifugal pumps:a comparison of prediction methods［J］.Proc Instn Mech Engrs，1994，208:59-66.［6］杨孙圣，孔繁余，陈斌.分流叶片对泵反转式透平性能影响的数值研究［J］.工程热物理学报，2010，31(增刊):141-144.Yang Sunsheng，Kong Fanyu，Chen Bin.Splitter blades on the performance of pump as turbine using CFD［J］.Journal of Engineering Thermophysics，2010，31(S0):141-144.(in Chinese)［7］杨孙圣，孔繁余，陈斌.叶片包角对可逆式泵性能影响的数值研究［J］.流体机械，2011，39(6):17-20.Yang Sunsheng，Kong Fanyu，Chen Bin.Numerical research of blade wrap angle to the performance of reversible pump［J］.Fluid Machinery，2011，39(6):17-20.(in Chinese)［8］ Yang Sunsheng，Kong Fanyu，Chen Bin.Research on volute design method of pump as turbine using CFD［J］.International Agricultural Engineering Journal，2011，20(3):25-32.［9］ Derakhshan S，Nourbakhsh A.Theoretical，numerical and experimental investigation of centrifugal pumps in reverse operation［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，2008，32:1620-1627.［10］杨孙圣，孔繁余，周水清，等.离心泵汽蚀性能的数值计算与分析［J］.华中科技大学学报:自然科学版，2010，38(10):93-95.Yang Sunsheng，Kong Fanyu，Zhou Shuiqing，etal.Numerical simulation and analysis of centrifugal pump cavitation characteristics［J］.Journal of Huazhong University of Science and Technology:Natural Science Edition，2010，38(10):93-95.(in Chinese)［11］ Spence P，Amaral-Teixeira J.Investigation into pressure pulsations in a centrifugal pump using numerical methods supported by industrial tests［J］.Computer and Fluids，2007，37:690-704.［12］刘大凯.水轮机［M］.北京:中国水利水电出版社，1997.。
透平叶片顶部间隙流动特性的实验和数值研究张洪;王建华;张清波【摘要】利用粒子图像测速技术(PIV)捕捉透平叶片顶部泄漏流特征,并以此数据验证湍流模型和用商业软件CFX12.0进行的数值模拟方法.所研究的叶片为典型的GE-E3叶片,为了展示泄漏涡的生成和发展过程,用实验数据展示了3个不同截面的速度分布.数值计算中使用了混合网格生成技术及5种湍流模型.通过与实验数据的比较发现:RNG k-ε模型计算所得的泄漏涡与实验所拍摄的真实流动能较好地吻合.此模型和计算方法同样适用于研究叶顶射流对泄漏流的影响.计算结果显示:通过叶片顶部气膜孔射流产生的阻挡效应,最多能降低6.12％的主流泄漏.%The flow characteristics of turbine blade tip leakage were measured with a particle image velocimetry (PIV) system, and the experimental data was used to estimate the turbulence model and numerical simulation conducted with commercial software CFX12. 0. The test model was a typical GE-E3 blade. To exhibit the generation and development of leakage vortex, three velocity distribution profiles obtained by the PIV system are exhibited. Hybrid mesh generation process and five turbulence models were used during the numerical simulation. Through comparison of experimental data with the simulation results, it can be seen that the vortex obtained by vising RNG k-ε mod el was closer to that captured by PIV system. This turbulence model and numerical approach can be used to estimate the effects of blade tip injection, The numerical results indicated that with coolant injection through the film holes at the blade tip, the leakage flow rate can be reduced by 6, 12% at most.【期刊名称】《实验流体力学》【年(卷),期】2012(026)003【总页数】5页(P56-60)【关键词】PIV;泄漏流;数值模拟;泄漏涡;湍流模型【作者】张洪;王建华;张清波【作者单位】中国科学技术大学热科学与能源工程系,合肥 230027;中国科学技术大学热科学与能源工程系,合肥 230027;中国科学技术大学热科学与能源工程系,合肥 230027【正文语种】中文【中图分类】V231.30 引言在现代燃气透平叶片设计中，动叶片顶部应该尽量接近透平环形的固定壁面，同时又必须留有一定间隙，以适应叶片因离心力及受热引起的伸长和固定壁的热变形。
在叶片压力面和吸力面之间的压差驱动下，来自燃烧室的高温气体穿过这个顶部间隙，称之为泄漏流。
泄漏流将导致以下4个棘手问题：（1）泄漏流在压力、吸力面之间的压差驱动下穿过叶片间隙后与通道中的主流气体混和，产生泄漏涡，导致较大的总压损失；（2）由于粘性作用，泄漏流在固定环壁和叶顶表面形成流动边界层，边界中的气流速度比转子在叶顶处的线速度小，转子运动时受到这部分气流的阻力作用又造成一定程度的摩擦损失；（3）泄漏流直接穿过叶片间隙，没有对叶片做功，因此产生透平级效率损失。
这种损失在一定范围内随着间隙距离的变化而不同。
文献［1］指出间隙为叶片高度1%时将产生1%～2%的主流泄漏损失，从而降低1%～3%的透平级效率；（4）高温泄漏流与叶片顶部壁面的对流换热增大，使得整个叶片顶部表面热负荷最高，从而导致叶片寿命缩短。
长期以来，人们对叶顶间隙泄漏流特性及高温泄漏流与叶片顶部、压力面和吸力面换热特性做了大量研究，并在此基础上，改进旋转叶片顶部结构设计，增加凹槽式迷宫密封及气膜孔冷却顶部，这样既可以减少泄漏流量，又可以冷却叶片顶部。
文献［2］详细回顾了关于叶片顶部高温气体流动和传热的研究情况。
文献［3］的研究结果指出叶片顶部的对流换热与叶片和固定围带之间的相对运动无关；文献［4］在较大的相对速度范围内，其中包括比实际情况更高的速度下通过实验测量和数值计算，结果都确定了这种无关性。
这种现象的本质可以解释为：相对运动的影响其实仅限于一个附着在围带壁面的薄层之内，叶顶附近的速度分布实际上并没有因为相对运动而改变。
这个结论使得对叶顶泄漏流和传热的实验研究可以在静态装置中进行。
在以往的泄漏流特性实验研究中，不同的测量技术被使用。
文献［5］使用激光粒子图像测速技术（particle image velocimetry），观察到顶部间隙泄漏流和主流的混合情况。
文献［6－9］利用萘升华技术，测量了叶片顶部的局部和平均质量传输系数。
在数值计算方面关于叶片间隙区域的传热传质特性也有许多研究报告。
文献［10］采用标准k－ω湍流模型，模拟了带有顶部凹槽的透平叶片的三维流场和传热特性。
文献［11］利用商业软件Fluent，用不同湍流模型进行数值计算，并指出：雷诺应力模型下的结果和实验数据比较吻合。
文献［12］比较了7种不同的湍流模型和不同的网格划分方法，最后指出k－ω模型的结果和实验结果最为接近，同时他们还分析了叶顶形状对流动和传热特性的影响。
实验在静止通道内进行，利用PIV技术获得不同截面上的速度矢量分布图，同时采用CFX12.0计算5种湍流模型下的流场分布，并将实验结果与数值结果进行比较，由此确定与实际流动趋势最吻合的湍流模型。
为下一步进行流－固－热耦合计算顶部传热特性提供依据。
1 实验装置1.1 实验管道和叶片模型为了有利于捕捉内部流场粒子图像，实验管道用透射率非常好的有机玻璃做成。
管道进口截面为164mm×72mm，并在进口段放置一蜂窝器，以降低来流湍流度。
蜂窝器由8mm×8mm的方孔组成，孔间距为3mm，长度为40mm。
试验件是经过发黑处理并放大3倍的GE－E3不锈钢叶片，高度为60mm，叶片顶部开有深度为4.5mm的凹槽。
顶部沿叶片型面中轴线按7.5mm等间距分布11个气膜孔，压力侧凸台上按等间距分布5个气膜孔，每个孔直径1.5mm（如图1所示）。
为了满足周期性条件，试验件两侧均用有机玻璃做成了叶片形状，并与通道连接（如图2所示），叶片的间距为87mm，叶片与来流间的夹角为58°，叶片与出口段的夹角为24°。
中间叶片与管道上表面有一个间隙，以模拟真实燃气透平叶片顶部间隙。
叶片上方的管道处开了一个多边形的孔，在孔处加一个活动盖板，这样可以方便改变试验件与壁面的间隙。
本实验因为要拍摄叶片顶部间隙处的流场，将间隙值设置为12mm。
本次研究不涉及传热和物性相关方面的问题，主要针对流场特性，因此，在保证与真实条件相同吹风比的条件下，依据雷诺相似定律，在常温（293K）下进行的水流模拟实验可以反应相同雷诺数下的气体流动特性。
具体实验参数如表1所示。
图1 叶片外形示意图Fig.1 Schematic of blade shape图2 实验管道截面示意图Fig.2 Schematic of test section表1 实验参数Table 1 Experiment parameters叶片弦长100mm 叶片厚度24mm叶片间距87mm 设计跨度178mm进口气流角32° 出口气流角24°基于叶片轴向弦长的雷诺数1.3×104平均主流速度0.1m／s气膜孔出口冷却流平均流速0.3m／s1.2 PIV系统实验采用的粒子测速（PIV）系统由Nd：YAG激光器、片光发生器、海信CCD摄像系统以及配套的图像处理软件（Dantec Flowmap 1500）组成。
Nd：YAG激光器发射红外线，并可延伸至532nm的绿色可见光波长段，激光脉冲间隔可控制在300ns～300ms之间。
实验用示踪粒子为平均直径10μm的中空球，由光敏材料制造，球与水的质量比为1.05，可以跟随流体运动。
这些中空球既能较为准确地显示流场运动特性，又可以清晰地被CCD相机捕捉。
实验时，激光器触发的激光脉冲间隔选取为3ms，CCD像素为1024pixel×768pixel，每一种测量状态连续拍摄150幅图片，然后用系统软件分析得到所拍摄截面上的二维速度分布。
2 数值计算模型及方法采用商业软件ANSYS CFX 12.0进行数值计算，边界处理和模型尺寸与实验条件一致。
进口段长度取一倍叶片轴向弦长，出口段延伸至足够长以防止出现回流。
计算的边界条件与实验条件一致，流动介质为293K的水，进口条件给定流量入口，流率为1.0586kg／s，给定压力出口条件为常压，顶部气膜孔出口速度为0.3m／s，雷诺数为1.3×104。
计算收敛残差设定为小于10－6。
数值计算中，先后使用了k－ε、SST、SSG、RNGk－ε、k－ω5种湍流模型，并将其计算结果与实验测量数据进行比较。
利用ICEMCFD工具划分网格。
为了考察网格对计算结果的影响，选用5种不同疏密的网格分别进行计算，选取的计算参量是顶部间隙泄漏质量流量。
从表2可以看出，随着网格的进一步加密，间隙流质量流量变化很小，最大仅仅为1.3%，所以可认为此处的计算结果与网格无关。
计算时选取的网格单元总数为596万。
表2 网格无关性验证Table 2 Validation of mesh independent网格总数（万）间隙流质量流量（kg／s）360 0.15669 400 0.156085 596 0.154668 6600.154828 750 0.154729计算区域分为通道区和叶顶区两部分，两部分的网格无关性验证是同时进行的，在验证网格与计算结果无关后，通道区选用结构化六面体网格，网格数为198万；叶顶区及气膜孔内选用非结构化四面体网格，叶顶近壁面网格采用三棱柱网格进行加密，网格数为398万；总网格数约为596万，壁面第一层网格的y＋值控制在1之内。
