118409字博士毕业论文基于非结构化网格的空冷汽轮机气热弹性联合数值计算

论文类型：博士毕业论文

论文字数：118409字

论点：耦合,涡轮,湍流

论文概述：

本文是博士学位论文，通过方腔流、无粘Bump 流动及平板流动验证了流场计算程序的准确性及对转捩流动的模拟能力。

论文正文：

第1章螺纹理论

本世纪初，随着航空空工业的发展，燃气涡轮发动机是主要的动力装置，其性能的提高仍将是一个重要的研究方向。涡轮发动机的性能主要包括两个重要参数:效率和推重比。涡轮叶栅入口温度是影响发动机效率的关键因素。因此，为了提高涡轮机的效率，有必要提高涡轮机的入口温度。图1-1显示了航空空发动机涡轮进口温度随时间的变化趋势。可以看出，入口温度已经远远超过涡轮机材料能够承受的极限温度。受材料科学发展速度的限制，这对发动机的冷却设计和热防护提出了巨大的挑战。高温部件高效可靠的热保护已成为传热设计中的一项重要任务。航空空发动机涡轮的冷却设计和热环境分析与预测是提高涡轮性能和确保发动机可靠性的关键问题。目前，我国国航空燃气轮机技术落后于世界先进水平，比西方先进国家落后20-30年。其中，热端部件热分析和冷却设计技术的缺乏是制约我国发动机设计水平提高的主要障碍，导致我国国航空发动机涡轮前端温度远远落后于先进国家。随着世界形势的变化，为了保持其军事优势，世界主要经济和军事大国已将发展航空空发动机作为其战略发展计划。美国军方将涡轮喷气发动机列为确保国家安全的九项核心技术，相应的先进发动机设计和制造技术也被列为核心机密，从而对中国实施了技术封锁。
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第2章气动热弹性[多场耦合的控制方程/br/]
2.1简介
固体热传导方程描述了固体中通过扩散的热传递。涡轮叶片与气体接触，强对流将加热叶片，同时叶片也被内部冷空气冷却。因此，考虑到热传递，可以相对准确地模拟叶片的温度变化。不均匀的冷却和加热会在叶片内部产生很大的热应力，导致叶片损坏。为了更好地预测热应力，需要进行热弹性计算。本文用有限元法求解变分后的力平衡方程。只有合理建立求解叶片固相场的数学模型，才能准确模拟固相场中物理量的变化。本章的任务是分析基于有限体积法的气动热计算和基于有限元法的热弹性计算平台的理论问题。主要包括流场计算模型的建立、氮硫方程的湍流闭合、过渡模型的应用、传热数学模型和热弹性计算。

2.2流场控制方程
从方程(2-14)可以看出，预处理方法改变了方程的时间导数项，通过改变系统的时间尺度来平衡系统波速的传播速度，从而在求解时间推进时可以采用较大的时间步长，同时可以加速收敛。预处理后，方程的变量由保守变量变为原始变量。湍流是涡轮机中最常见的流动现象。为了准确模拟湍流条件下壁面的摩擦和传热，有必要合理模拟湍流。由于湍流是不规则流动状态，湍流中流体的物理量随时间和空随机变化，但统计平均法可以用于研究。此外，湍流的直接模拟需要很高的计算机内存和计算速度，因此工程上通常采用求解时间平均南北方程加湍流模型的方法来模拟湍流。本文用SST-k-ω两方程湍流模型[89]求解涡粘性系数。

第三章流场数值计算及验证.........................................37
3.1导言..........................................................37
3.2有限体积离散法..............................37
3.3 空离散方法.............................................38
第4章固体场的数值解及验证............................66
4.1导言................................66
4.2隐式算法..............................66
第五章气动热弹性多场耦合的数值计算；...................83
5.1导言.........................................83
5.2气动热弹性多场耦合的耦合方法；................84

第5章气动热弹性多场耦合的数值计算

5.1简介
本章介绍了单向气热弹性耦合的耦合方法，建立了两个气热耦合平台，并介绍了自编程气热耦合计算平台的算法基础，主要涉及界面插值方法、气热耦合的耦合方法、传热计算的过程控制等。在气热耦合模块的基础上，增加了自编程热应力计算模块，建立了单向气热弹性耦合计算平台。通过MARKII和C3X对传热程序进行验证，分析了过渡对传热计算的影响。对实际低压汽轮机的传热进行了分析。分析了过渡流的特点和考虑传热计算的必要性，为强度校核提供了可靠的热条件。最后，对MARK和低压涡轮导向叶片进行了单向气动弹性分析。

5.2气动弹性多场耦合耦合方法
为了验证界面插值程序的准确性，首先用第一组网格通过公式(5-3)获得每个单元中心的精确解，然后将精确解插值到另一组网格中计算插值结果，然后进行比较。从图5-4的比较图中可以看出，插值结果与内部区域中的精确解很好地一致，并且在边界区域中的插值结果中存在一定的误差，这是由于对应于每个单元的插值模板在边界区域中包含非常少的单元，从而导致插值精度下降。本文采用弱耦合计算方法，分别求解叶片的流场和热传导，耦合通过界面上的数据传递来实现，采用保证通量守恒的面积加权类插值方法。为了加速收敛，绝热壁条件的收敛结果被用作初始场。
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结论

最后，介绍了气动热弹性多场耦合的耦合方法、建立的多场耦合平台和多场耦合的耦合方法。介绍了面积加权类的界面插值方法，并通过与精确解的比较验证了插值精度。通过实验验证了气热耦合方案，研究了过渡对传热计算精度和强度校核的影响。最后，利用气热弹性耦合计算程序对某型燃气轮机导叶进行多场耦合分析，研究其流动特性、边界层转捩特性和传热特性。热应力分析为后续改造工作奠定了基础。结论如下:

(1)寻找线性权重最优解的方法，以及选择重建模板的方法，为提高二维非结构化网格高精度WENO方法的稳定性提供了一种线性权重保持方法，从而提高了程序的稳定性。前台阶周围的流动和双马赫反射问题验证了高精度方案的准确性及其对激波的高分辨率和稳定性。
(2)流场计算程序的准确性和模拟过渡流的能力通过方形空腔流、无粘性凸块流和平板流得到验证。保险杠不同马赫数下的流动验证了预处理方法能够很好地计算低速流动，对低速流动加速收敛的效果非常明显，收敛速度翻倍，加速收敛的效果随着马赫数的增加而逐渐减弱。
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参考文献(省略)