涡轮级内湍流度影响的非定常数值模拟

２００２年２门　推进技　术　Ｆｅｂ　２００２　Ｖ０】．２３　Ｎｏ　第２３卷第ｌ期　ＪＯＵＲＮＡｌ　ＯＦ　ＰＩＩＯＰＵＬＳＩＯＮ　ＴＥＣＩＩＮｔ】ｌｌＯＧＹ　涡轮级内湍流度影响的非定常数值模拟　董素艳，刘松龄，朱惠人　两北Ｊ业大学航牵动　与热　工程系，陕　安７［００７２　摘　要：通过求解　维雷诺甲均Ｎａｖｉｅｒ—Ｓｔｏｋｅｓ方程．数值模拟ｒ小同进【Ｉ湍流度ｒ的涡轮缴［｛】的非定常流场肚　泓爱场．结粜表明，增大湍流度别ｎｆ栅通道内时均　力分布影１悃很小，　】足对满轮级・ｆ　ｒ的　座抒布会　响　很大影　渴轮进ｆ］有热斑存在时．增大湍流度将会使热斑　ｌ・的热流体温度扩散更快．从而叶栅通道中的温度场分疖趟　均匀，　时曲　压力面他９ｌ＿ｊ吸力而侧的时均温度莠荆碱小沿动Ｉ１ｌ弦｝乇方向Ｊ　的　度分布也更甲缓，　美键词：涡轮叶栅；非定常流；热斑ｌ湍舌！ｃ度；数值仿真　中图分类号：Ｖ２３１　３　文献标识码：Ａ　文章编号：［００【４０５５　ｆ２００２）０１—００４０—０５　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｎ　ｕｎｓｔｅａｄｙ　ｆｌｏｗ　ｗｉｔｈ　ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｉｎ　ａ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｓｔａｇｅ　ＤＯＮＧ　Ｓｕ—ｙａｎ　ＬＩＵ　Ｓｏｎｇ—ｌｉｎｇ，ＺＨＵ　Ｉｌｕ［一　“　（Ｄｃｐｔ　ｏｆ　Ａｅｍｅｎｇｉｎｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｅａｌ　１３ｎｉｖ．．ｘ　Ｌ’ａｎ　７　１００７２．Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ａ　ｔｗｏ－ｄｉｍｅｔ￣ｏｎａｌ　Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋ￣ｅｑｕａｔｍｎ　ｗａｓ　ｓｏｌｖｅｄ　ｔｏ　ｐｒｅｄｉｃｔ　ｕｎｓｔ￣ｄｙ　ａｎｄ　ｔｅｍｌｘ－ｍｔｕｒｅ　ｆｉｅｌ【１ｓ　ｗｉｈ　ｄｉｆｔｌｋ＇ｒｒｎｔ【ｕ山ＬＪ　［ｅ　ｒｌｃＣ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｉｎ　Ｈ　ｔｕｒ【　ｎｅ　ｓｔａｇｅ　Ｉｔ　ｗａｓ￣ｂｕｎｄ　ｔｈａｔ　ｔｕＣｏｕｌｅｎｃｅ　ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　ｈ　Ｉ　ｓ　ｉｉｆｃａａｌ　ｅ￣ｘ：ｔｓ（ｍ　ｔｈｅ　Ｉ￣＇ｍｐｅｒａｔｕｍ　ｄｉｓｔｒｌｂｕｆｉ￣ｎ　ｂｕｔ　ｔｅ　ｐｒｅｓ　ｂ￣［ＩＤ２　ｄｉｓｌ６ｂｕｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｎｏｔ　Ⅵ　ｅｎ　ｂｕｔ　ｓｔｒｅａｋ　ｉｎｔｎｘｔｕｅｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｕｒｂｉｎｅ’ｓ　ｊｎＩｅｉ．ｈｉｇｈ【ｕｄ】ｕ　ｌ　１ｅ　Ｌ　ｗｏｕ［…ｔ　ｋｅ　ｔｈｅ　１　ｎＪ　佃ｎ－０ｒ　ｇ，ｍ　ｄｉｓｓｉｐａｔｅⅡ　ｑｕｉｃｋｌｙ，　ｄ【ｈｅ　ｔｅｍｐｐｒａｔｕｒｅ￣ｌｉｂｆｕｔｉｏｎ　ｋ＇￣Ｉｄ　ｔｏ　Ｂｅ…ｕｎｉｆｏｒｍ　ｎ　Ｗｍ［ｘ￣ｒａｔｕｒｃ　ｄｉ￣＇ｒｅｐａｔｕ：ｙ　ｂｅｔｖ，￣．ｃｎ　ｓｕｃｔｈｍ　ＳＵＦ－　－…　∽ａｎｄ　ｐｒｏｃｕｒｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｏｆ　Ｆｏｌｏｆ　ｗｌ¨．ＩＩ１　ｂｅ　ｄｃｃｒｃａｓｃｘｔ，　＿１　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｃｒｄｔ￣ｐｒｏｆｉｌｅ　ａｌｏｎｇ　ｔｅ　ｃｈｏｒｂｄ　ｂｅｘ＇ｏ　ｒｒ￣＂　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｔｕｒｂｉｎｅ　ｃａ￣：ａｄｅ；［Ｊｎｓｔｅａ山ｆｌｏｗ；Ｈｏｔ　ｓｔｒｅａｋ；　Ｆｕ￣ｕｌｅｎｃｅ；ＮｕｍｅｒｌｃａＪ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　１引　言　高性能、结构紧凑是当今航空发动机发展的趋　势．随着叶轮机械叶排问的轴向Ｊ１｜Ｊ隙的减小，叶排问　的干扰也变得更加严蕈。实验研究表明，涡轮中的流　动ｊ｛有柑　强的非稳态特性，造成这种情况的原　之　ｅ流往往堆积在动叶压力面Ｊ　产生局部过热　，使其　承受着Ｊ　大的热负荷。准确地理解这种现象的机胖，　深入研究仃在热斑时的流场和温度场的特征以＿技各　种参数的影响趋势，将非常有助于涡轮叶片的热分　析，更合理地确定冷却方案．改善涡轮叶片的温度分　布．从而提高涡轮的可靠　和寿命。冈外从２０　纪　８０自　代』ｆ始对热斑现象进行ｒ一　实验研究　Ｒａｉ”　，就是山于动静叶排问的干扰，使流场周期性地发牛　．　对　变化一引起涡轮中非稳态流动的另一一个原因是逊ｒｆ　Ｎｉ　。和Ｄｏｎ・ｅｙ　。等人在这一方面做ｒ大毓的　参数的不均匀，特则是沿周向的不均匀，通常燃烧窄　出ｒｆ燃气濉度分布是　均匀的，局部的最高温度可以　数值模拟Ｉ　作，至今这方而的１‘作还在继续。　热斑的研究才开始。虽　ｒ涡轮前　温度分　的研　究　，　是关于湍流度对热斑敏应的影响还未见到彳『　文献发表。本文的Ｊ‘怍就是通过求解二维１Ｉ：定常Ｎ—　Ｓ力程研究涡轮级巾水流不同湍流度时涡轮级的｛Ｅ　定常影响。　逃最低温度的两倍左右，这种局部的高温气流被莉　为　“热斑”（Ｈｏｔ　Ｓｔｒｅａｋ）：、　燃烧窄出ｒ＿］热斑进＾涡轮级　后．涡轮流场　１］的非定常现象愈发严蕈，山于动静叶　排　的相对运动，玲热　‘流在动叶排内产生迁移，热　收稿日期：２０００一【］，１３；修订日期：２００　Ｌ一０１　２Ｏ　．　作者简介：董素艳（１９７４　Ｊ，　，博　，研究领域为满轮流场占皂温度场的定常　定常数　模把　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２３专第１期　涡轮级内湍流度影响的非定常数值模拟　４１　２算例和计算结果的讨论　本文数值模拟求解的是二维非定常雷诺平均Ｎ—　Ｓ方强　，采用ＲＮＧ缸ｅ湍流模型及标准的擘血函数。　计算采用二阶迎风显式时间推进格式。叶排问的相　ｒ边界采用滑移面技术处理　。　ＩＩｆ型采片ｊ　ＵＴＲＣ第一级涡轮叶高中截面处的型　血．Ⅱ１排间距约为１５％的叶片弦长，通过调整叶型尺　寸对叶排通道数进行ｒ简化，使通道比为１：１。数值　网格采用　角形非结构网格，静、动叶栅中的网格单　元数分别为５　８１０，５　０８２。　米流速度　ｊ动叶转速比ｃ　／Ｕ一０．７８，在来流湍　漉度分别为０　５％，１０％的两种情况，分别模拟了来　流均匀及有热斑时的非定常流场及温度场。这里来　流热斑温度的分布形状近似为一正弦曲线，热斑的范　围约为导叶栅距的１／３，热斑中心最高温度ｒ　／Ｔ　＝　Ｉ．５．主流温度为Ｔ　：３００　Ｋ。　首先计算了来流均匀的情况，图１是不同湍流度　下叶片表而时均压力系数分布与实验结果…的比较　（图中ＮＨ代表来流均匀．ＨＬ代表热斑中心正对导叶　前缘．ｔ｜Ｍ代表热斑中心位于通道中间）。由图可见，　一　一二二：－．：　　．前无热斑得到的压力分布都非常接近，说明当来流热　斑中的总Ｊ土和静压与周围气体相同时，热斑的存在不　会对压力分布造成重大的影响。图中叶片表面压力　系数的时间平均值与实验符合良好，只是在动叶吸力　面尾缘附近，计算值与实验值有些偏差　本文中压力系数定义为　，＝１　、　（Ｐ—Ｐ。）／Ｉ寺Ｐ　扩Ｊ，　ｐ是当地静压，Ｐ　是来流总压，Ｐ　是来流密度，　是　动叶排移动速度。轴向的坐标零点对应于导叶前缘　点的横坐标．周向的坐标零点对应于导叶尾缘点的纵　坐标：这里需说明的是对来流有热斑的情况，来流密　度取的足无热斑时的值。从所得的压力分布可以看　出．湍流度对叶栅通道内的流场影响很小。在叶排的　转动过程【｝】．叶栅通道内的流场是随时变化的，但是　ｍｏｓ４５　Ｌ．．　：　：．　５０　５５　６０　ｔｉ５　７０　Ｖｄｏｃｉ　ｍ　湍流度几乎不影响叶栅通道中的时均压力分布　图　２，３分别是导ｌ】ｔ网格出口边界卜（约位于叶排间隙中　间位置）时均气流角　与时均气流速度的分布。从　图中可见这　参数沿周向分布十分不均匀，在导叶的　尾迹医内有非常剧烈的变化。并且不同湍流度对应　的分布非常接近，说明了湍流度对叶栅通道内流场没　有大的影响。　ｎｇ．３　Ｔｉｍｅ　ａｖｅｒａｇｅｄｆｌｏｗ　ｖｄｏｃ址ｙ　ｐｒｏｆｉｌｅｓ　ｉｎｔｈｅ　ｍｉｄ　ｏｆ　ｇａｐ　在来流有热斑的情况下，模拟ｌ『热斑中心正对导　叶前缘及位于通道中间两种位置时，对叶栅通道压力　分布的影响。计算发现．热斑的加入影响非定常瞬时　的压力场分布，但是对叶片表面时均压力的影响很　维普资讯 http://www.cqvip.com

４２　推进技术　２００２拄　小。来流有热斑时的叶片表面时均压力系数分ｍ　如　图Ｉ所示ｉ住导叶出口处，气流角变化很小．但是　流速发的分布却随热斑位置的　同有很大变化。　４是湍流度为０．５％、热斑位于叶栅通道中　温度的扩散非常明显。增大湍流度使等值线在导Ｉ１ｆ　出［ｒ处就已经扩展出较大的范围．并Ｈ在叶栅通道中　的分布更加均匀。　时，某一瞬时叶栅通道中的温度分布。在来流湍流度　为１Ｏ％的情－兑下，热斑正对导叶前缘和位于叶栅通　道叶１时叶栅通道一个刷期ｑＪ四个时刻（ａ），（ｂ），（ｃ），　（ｄ）的静温分市如图５，６所示。Ｊ冬１中的等值线为等　距划分．温度范围为３００　Ｋ～４５０　Ｋ。在这两个图中．　山于进Ｌ］热斑的加入，使整个涡轮级中的温度分布发　生很大变化．静叶栅中的温度分布相对简单，但动叶　栅中温度分　变得非常复杂，可观察到热气流在动叶　栅中彳Ｊ向址力面迁移的现象，并形成ｖ形的等伉线　分布一与０．５％湍流度下的温度分布图４相比，热斑　Ｆｉｇ．４　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｏｕｒ，　Ｏ．５％ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ　ｉｎｔｅｍｉｔｙ．ＨＭ　Ｆｉｇ．５　Ｕｎｓｔｅａｄｙ　ｔｅ￣ｎｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｏｕｒｓ　ｉｎ　ａ　ｐｅｒｉｏｄ，１０％ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ　ｉｎｔｅｍｉｔｙ，ＨＬ　［捌７，８分别是湍流度为１Ｏ％时，热斑正对导叶前　缘和佗于通道中间时叶片表面静温在一个周期内的　脉动分布：由嗣可见，在静叶排内温度的波动很小，　前进＿１段长度的影响，如果进Ｌ］段取的较长，在高湍　流度Ｆ：Ｊｎ在进口边界上的不均匀燃气温度在进人导　叶通道之前就已经充分扩散，叶片表面所能达到的峰　值温度也就从而降低。　在湍流度为１Ｏ％的情况下，热斑分别正对导叶　前缘及位于通道中问时叶片表面时均温度分布如图　９所示（图中ＰＳ，ＳＳ分别代表叶片压力面和吸力　面）。　热斑位于叶栅通道中时．只有接近压力面尾　动叶击面的温度则有剧烈的变化一在不同瞬时，由于　热气流在动叶排ｑ』迁移会撞击到动叶表面的不ｆｑ位　置，社撞击　产生局部高温　，因而整个叶片呈现非　常不均匀的温度分布，并随时间剧烈变化。在其它条　件相Ｍ，湍流度为０．５％时，动叶表面温度脉动幅度　在３００　Ｋ～３９０　Ｋ之间。相对于０．５％湍流度时的脉　动温度分市，高湍流度下的温度脉动幅度显著降低　缘侧的一小部分导叶表面的温度有所　升，热斑的影　响大部分局限在导叶叶栅通道中间　整个动叶表　面温度　为受到热斑的强烈影响，温度明显高于导　然在　同湍流度下，叶片表而温度的大小还受孕叶　维普资讯 http://www.cqvip.com

第２３卷第１期　涡轮级内湍流度影响的非定常数值模拟　４３　－｜　￡¨１　口＿　ｎｇ．７　Ｕｎｓｔｅａｄｙ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｅｎｖｅｌｏｐｅ　ｏｉｌ　ｔｈｅ　ｂｌａｄｅ　Ⅱ１．　力面的温ｎ更大。当热斑正对导叶前缘时，热　斑中的高温气流紧贴叶片表面，使导叶温度明显　升．远远高于动叶的时均温度。另外由于静叶环量的　作用．热气流在接近导叶时会向吸力面偏转，使导叶　吸力面的温度高于压力面的温度。　［刳１０是热斑正对导ｎｔ‘前缘时不同湍流度下叶片　表面时均温度分布。比较而言，高湍流度下的导ｎ１表　血温度要小丁低湍流度时的表面温度　在孕Ⅱｆ＿通道　内的　ｉ流加速过程中．高温气流的核心区会更接近壁　ｍ惦ｎｍ　ｍ０５旺１０ｎＩ５旺舯吐２，５　０　Ａｘｌａｌ１ｉＮ：ａｔｉｌ。ｉｉ／ｉｎ　０３５　０．４０　血，间酬固为高湍流度会造成高温与低温气流更剧烈　的　散，使热斑核心区的温度不断降低　整个导叶表　面温度较低　湍流度明显下降．同时导叶吸力面温度　｝１｜｝轴向上升的幅度减小。徂是动叶表面的时均温度　Ｆｉｇ．９　Ｔｉｍｅ　ａｖｅｒａｇｅｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｐｒｏｆｆｄｅ￣ｏｉｌｔｈｅ　ｂｌａｄｅ　维普资讯 http://www.cqvip.com

推进技术　２００２虫＝　受湍流度的影响相对于导叶要小得多：湍流度的增　大使乐力面与吸力叫的时均温度差别更小，沿轴线的　分布臣、ｒ缓。　３结　论　（１）湍流度的变化不影响叶栅通道内的ｎ三　分　罔１　ｌ是热斑位于叶栅通道・　时不同湍流度下口＿　布，不改变静叶出Ｌｊ的　ｉ流角及出流速度。　（２）增大湍流度时，叶栅通道内的温度　散加剧，　使得动叶表面温度分布更均匀　压力　与吸力而的　温度差别变小，并Ｈ温度场的非定常脉动幅度显著降　低一　（３）热斑他于叶栅通道中时．在小湍流度的情况　下，热斑对导…温度没有影响　增大湍流度后，热斑　中的热气流向导叶表面扩散加剧，将首先提高导叶压　力叫侧近尾缘处的温度。　（４）热斑』　对导叶前缘时，增大湍流度会使冷热　ｔ流掺混更剧烈，使热斑中的高温气流温度很快扩　散．降低导叶表面温度：　参考文献　［１：Ｄｆｉｔ￣Ｒ　Ｐ，Ｊｏｓｌｙｎ　Ｈ　Ｄ，Ｈａｒｄｉｎ　ＬＷ，ｅｔ　ａｌ　Ｔｕｒｂｉｎｅ　ｒｏｔｏｒ．ｓｌａｔｏｒ　Ｊｎｔｅｒａｃｔｌ　ｃｍ［Ｊ＿ＡＳＭＥ　Ｊｏｕｒｎ￣ｄ　Ｅｎｇｉｎ￣ｒｉｎｇ　（１０４）：７２９～７４２　２　Ｂｕｔｌｅｒ　Ｔ　Ｌ。Ｓｈ￣ｌａ　Ｏ　Ｐ。Ｊｏｓｌｎｙ　Ｈ　Ｄ．ｅｔ　ａｎ　ｉｎｌｅｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔ￣ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ　ｉｎ　ａｌｌ…ＰｏｗｅｒＩ９８２，　Ｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　０ｆ　ｌ　ｆｌｏｗ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｓｔａｇｅ　Ｊｏｕｒｎ￣ｔｌ　Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ　ａｎｄ　Ｐｏｕ￣ｒ、１９８９．（５）：６４—７【　［３］Ｒ　Ｍ　Ｍ．Ｄｒｉｎｇ　Ｒ　Ｐ．Ｎｍ＇Ｊｅｒ－ｓｔｏｋｅｓ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｉｌｅ　ｒｅｄｉ㈣ｔｌｉｔ　Ｌｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｌｅｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ａ　ｔｕｒｂｈｍ　Ｒ　ＡＬ４４　８７　州帅嘶旺１０旺１５　０２０［１．２５悯Ａｘｉｍｌ　Ｉｏｃａ６ｏｎ／ｍ　　４４０　２１４６　［４　Ｊ　Ｆｉｇ．１ｌ　Ｔｉｍｅ　ａｖｅｒａｇｅｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｐｒｏｆｉｅｓ　ｆｋａｈａｓｈｊ　Ｒ　Ｋ。Ｎｉ　Ｒ　Ｈ，Ｕｎｓｔｅａｄｙ　ｅｕｌｅｒ　ａｔｍＩｙｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｒｅｄｉｓ—　ｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｎ　ｉｎｌｅｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ　ｉｎ　ａ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｌ　Ｒ］．　４川９０—２２６２　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂｌａｄｅ　ｔｈ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ　ｉｎｔｅｎｓｉ【ｖ　５　Ｄｏｒｎｅｙ　Ｄ　Ｊ－Ｇｕｎ　－Ｂｕｒｌｅｔ　Ｋ　Ｌ，Ｓｏｎｄａｋ，Ｄ　Ｉ　，Ａ　ｓｕｒｖｅｙ　ｏｆ　ｈｏｔ　￣ｒｅａｋ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ａｎｄ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ１　１ｃｕ￣ｒｎａｔｉｏｔ￣ｔｌ　ｊ。㈣片表面时均温度分布：与低湍流度中导叶温度不受　热斑影响的情况不同，高湍流度下导叶压力面的温度　会受热斑影响，有～定的｝．升。这是湍流度增大使热　斑的温度扩散加剧的结果。增大湍流度使动叶表面　ｌ６　｜（　ＴｕｒｂｏⅡ柑　Ｅｎｇｉｎｅｓ，ｔ９９９。（１６）：１～１５　Ｄｏｒｌｌ￣Ｄ，Ｄａｖｉｓ　Ｒ．Ｅｄｗａｒｄｓ　Ｄ　Ｕｎｒｅａｄｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｈｏｔ　ｓｔｒｅａｋ　ｍ　ＪｇｒａｔＪｏ￣ｉｎ　ａ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｓｔａｇｅ　Ｒ　ＡｔＡＡ　９０—２３５４的温度分市曲线变得更平缓，并且大部分叫‘片表面的　时均温度要高于低湍流度时的温度。　［７］　张洪滨、李光中某型发动机涡轮前后温度分布的研究　［Ｊ］．推进技术．［９９７、１８（５）　［８］　董素艳，刘松龄，束惠人．二维涡轮级的定常／非定常数　值模似［Ｊ］推进技术，２００１．２２（５）　（编辑：盛汉泉）