某型发动机涡轮冷却叶片的流动换热耦合计算研究
航空发动机涡轮叶片流体力学分析与优化
航空发动机涡轮叶片流体力学分析与优化航空发动机是现代航空工业中至关重要的组成部分，涡轮叶片作为其核心部件，扮演着关键的角色。
涡轮叶片的流体力学分析和优化是提高发动机性能和可靠性的关键因素之一。
本文将围绕航空发动机涡轮叶片的流体力学分析与优化展开论述，从叶片的设计、流动特性分析和优化方法等方面进行阐述。
一、涡轮叶片的设计涡轮叶片的设计是涡轮机械的基础，涉及到流体力学、热力学、材料工程等多个学科知识。
设计涡轮叶片需要考虑叶片气动特性、结构强度、瞬态响应等多个因素。
在设计过程中，需要采用先进的设计软件和仿真工具，通过建立数学模型来预测叶片的性能和行为，以确保叶片具有优异的气动特性。
二、涡轮叶片的流动特性分析涡轮叶片的流动特性是指在工作过程中，气体在叶片上的流动状态、速度分布、静动压分布等参数的变化情况。
了解叶片的流动特性对于优化叶片的性能至关重要。
流动特性分析可以通过数值模拟方法，如计算流体力学（CFD）来实现。
CFD计算可以模拟涡轮腔内流动和叶片表面的气动态压分布情况，为涡轮叶片的设计和优化提供详细的流场信息。
三、涡轮叶片优化方法为了提高涡轮叶片的性能，需要进行优化设计。
涡轮叶片的优化设计可以采用传统的试错法和现代的优化算法相结合。
传统的试错法包括根据经验和手工调整叶片的几何形状，并通过试验和分析来优化叶片的性能。
而现代的优化算法，如遗传算法、粒子群算法等，可以通过自动化搜索和迭代方法，快速找到最佳设计参数，以实现叶片的优化。
优化设计的目标可以包括降低气动损失、提高叶片的冷却效果、增加叶片的材料强度等。
在优化过程中，需要建立起合适的数学模型和设计空间，并设置合理的约束条件，以确保优化结果的可行性。
通过优化设计，可以显著改善航空发动机涡轮叶片的性能和效率，提高整个发动机的综合性能。
四、涡轮叶片流体力学分析与优化的挑战涡轮叶片流体力学分析与优化面临着一些挑战。
首先，由于涡轮叶片工况复杂、流场非线性等特点，流体力学模拟需要高度精确，并需要大量的计算资源。
燃气轮机涡轮冷却叶片设计及优化
燃气轮机涡轮冷却叶片设计及优化燃气轮机中的涡轮叶片是该机械中非常重要的一个部分，其设计和优化对燃气轮机的性能和效率都有很大的影响。
本文将对燃气轮机涡轮冷却叶片的设计和优化进行详细阐述。
一、设计原则在设计燃气轮机涡轮冷却叶片时，需要遵循以下原则：1. 保证叶片的强度和刚度涡轮叶片需要承受高速旋转的冲击力和压力，同时还要耐受高温高压的腐蚀和热应力，因此叶片的强度和刚度是非常重要的。
在叶片的设计中需要保证这些要求，以确保叶片在使用过程中不会发生破裂或变形等问题。
2. 提高叶片的散热能力涡轮叶片在工作过程中会受到高温环境的影响，因此需要通过散热来降低其温度。
设计时需要考虑到叶片的材料和结构，以确保其具有良好的散热能力。
3. 降低流体对叶片的损耗涡轮叶片需要旋转在高速流体中，流体对叶片的损耗会影响其性能和效率。
设计时需要考虑减小流体对叶片的损耗，以提高燃气轮机的效率和性能。
二、涡轮冷却叶片的优化优化涡轮冷却叶片可以从以下几个方面进行：1. 叶片的材料涡轮叶片需要选择高温、高压下具有高强度、高耐蚀性的高温合金材料。
优质的高温合金材料可以提高叶片的使用寿命和性能，进一步降低燃气轮机的维护成本。
2. 叶片的厚度和形状叶片的厚度和形状会影响其强度和承受流体压力的能力。
通过优化叶片的厚度和形状，可以在保证强度和刚度的情况下尽可能的减小流体对叶片的损耗。
3. 温度分布的优化涡轮叶片的温度分布会影响其散热能力和强度。
通过优化叶片的冷却结构和流路设计，可以实现叶片温度分布的均匀，从而提高其散热能力和强度。
4. 表面处理优化涡轮叶片表面的处理可以降低其表面粗糙度和湍流程度，从而减小流体对叶片的损耗。
表面处理可以采用抛光、喷砂、电化学抛光等方式进行。
在设计和优化燃气轮机涡轮冷却叶片时，需要综合考虑上述方面，并在实际应用中进行验证和调整。
通过优化叶片结构和材料，可以降低燃气轮机的维护成本，提高其效率和性能，进一步推动燃气轮机技术的发展。
基于流固耦合的部分进气涡轮数值模拟研究
基于流固耦合的部分进气涡轮数值模拟研究赵瑞勇;陈晖;刘军年;毋杰【摘要】发展了三维线性插值算法用于CSD/CFD耦合计算数据交换,对某型液体火箭发动机部分进气涡轮进行了气/热/固多学科耦合数值仿真.结果表明,发展的三维线性插值程序对网格类型限制性小,计算简单,计算量小,插值结果能够满足耦合计算要求.仿真结果表明,某型火箭发动机涡轮由于其部分进气结构设计和叶轮高速旋转,设计工况下在涡轮转子入口处产生了较强的激波,激波与边界层干涉不仅使涡轮转子叶片的载荷分布出现了强烈的不均匀性,同时在叶轮的高速旋转下,该涡轮转子受到强烈的气动、热交变力冲击,其结构强度问题变得尤为突出.耦合计算分析认为设计工况下,该型涡轮结构设计,转子强度能够满足要求.【期刊名称】《火箭推进》【年(卷),期】2015(041)005【总页数】5页(P38-42)【关键词】部分进气涡轮;CFD/CSD;数值仿真【作者】赵瑞勇;陈晖;刘军年;毋杰【作者单位】西安航天动力研究所,陕西西安710100;西安航天动力研究所,陕西西安710100;西安航天动力研究所,陕西西安710100;西安航天动力研究所,陕西西安710100【正文语种】中文【中图分类】V434.21-340 引言部分进气设计的燃气涡轮机内部流动极为复杂，由于粘性和复杂几何条件引起的激波存在相互耦合，造成了流动的非定常性和非稳定性，其内流场气动特性不同于一般燃气涡轮。
某型液体火箭发动机涡轮由于其部分进气设计和叶轮高速旋转导致叶轮受到强烈的交变力冲击，对叶片应力分布产生很大影响。
考虑真实工况的气动、热载荷进行叶轮强度计算对涡轮结构设计和工程研制有着重要意义。
限于整机试验研究成本，随着计算机技术和CFD技术的发展，对涡轮进行流固耦合数值仿真成为研究该问题的重要手段。
在流固耦合仿真计算中，由于流体域和固体域耦合交界面网格疏密不一致，因此要想实现载荷传递与流固数据交换，寻求高效率、小误差的CSD/CFD数据交换方法是实现耦合技术的关键。
某型发动机涡轮冷却叶片的流动换热耦合计算研究
中 图分 类 号 ： ２ １１ Ｖ ３．
文 献标 识 码 ： Ａ
文章 编 号 ：６ ２ ２ ２ （０ ６ ２ ０ １— ４ １７ — ６ ０ ２０ １０ — ０ ４ ０
Ｃｏ ｐ ｅ ｍ ｐ ｔ ｔｏ ｔ ｄ ｆｔ ｅ Ｃｏ ｌ ｇ Ｔｕ ｂ ｎ ａ ｅ ｕ ｌｄ Ｃｏ ｕ ａ ｉ ｎ Ｓ ｕ ｙ ｏ ｏ ｉ ｒ ｉ ｅＢｌ ｄ ｈ ｎ
２ Ｇｕｚ ｏ ｒ — ｇｎ ｎ ｔ ｕｅ， ｉｇ ａ５ １ ２ Ｃ ｉ ａ ． ｉｈ ｕ Ａｅｏ Ｅｎ ｉ ｅＩ ｓ ｔｔ Ｐ ｎ ｂ ６１ ０ ， ｈｎ ） ｉ
Ａｂ ｔａ ｔＴ ｅ ｃ ｕ ｌｄ ｃ ｌｕａｉｎ ｍｏ ｅ ｆｆ ｗ ｆ ｌ ｎ ｅ ｅａｕ ｅｆ ｌ ａ ｓ ｂｉｈ ｄ ｏ ｈ ａｅ ｓｒ ｃ ： ｈ ｏ ｐｅ ａｃ ｌｔ ｄ ｌｏ ｏ ｅｄ ａ ｄ ｔｍｐ ｒｔｒ ｅｄ ｗ ｓｅ ｔ ｌ ｅ ｎ ｔ ｅ ｂ ｓ ｏ ｌ ｉ ｉ ａ ｓ
ｌ ｅ — ｉ ｎ ｉ ｎ ｆ ｄ ｄ ｎ ｍｉｓ ａ ｄ ａ ｃ ｎ ｕ ｔ ｅ ｔ ｒ ｎ ｆｒｗａ ｏ ｄ ｃｅ ， ｈ ｏ ｕ ａ ｉ ｅ ｕ ｔ ｏ ｆ ｒ ｅ ｄ ｍｅ ｓｏ ｌ ｉ ｙ ａ ｃ ｎ ｏ ｄ ｃ ｉ ｎ ｈ ａ ａ ｓｅ ｓ ｃ ｎ ｕ ｔ ｄ ｔ ｅ ｃ ｍｐ ｔ ｔ ｎ ｒ ｓ ｌ ｆ ａ ｕ ｏ ｔ ｏ ｓ ｌ ｆ ｗ ｅ ｄ ａ ｄ ｔ ｍｐ ｒ ｔ ｒ ｉｌ ｅ ｅ ｇ ｉ ｅ ｎ ｈ ｏ ｌ ｇ ｅ ｆ ｃ ａ ｎ ｌ ｚ ｄ Ｔ ｅ ａ ｐ ｉａ ｉｎ ｏ ｏ — ｏ ｆ ｌ ｎ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｆ ｄ ｗ ｒ ａｎ ｄ ａ ｄ ｔ ｅ ｃ ｏ ｉ ｆ ｔｗ ｓ ａ ａｙ ｅ ． ｉ ｅ ｎ ｅ ｈ ｐ ｌ ｔ ｆｃ ｎ ｃ ｏ
１ 引 言
涡 轮叶 片工作 条件 非常 恶劣 。是航 空发动 机 中 故障较 多 的部件 之一 。现 代航 空发动 机 发展 的一个 方 向就 是尽 可能 高地提 高 涡轮前 温度 。一方 面对涡 轮叶 片 的材 料提 出 了新 的要求 ，另 一方 面也 对涡轮 叶片冷 却技 术提 出 了更 高 的要求 。好 的冷 却 方案 设 计一 方面 要求冷 却效 果安 全可 靠 ，另一 方面 要求采 用尽 可 能少 的压 气 机 引 气 达 到 涡 轮 叶 片 的冷 却 要 求 ， 而使得 引 气对 发动机 的效率 影响 达到 最 小。 从 现 代涡轮 的效 率 已经达 到 了很高 的水 平 。效率 的进 一
涡轮叶片最小冷气需求量的一种估算方法
涡轮叶片最小冷气需求量的一种估算方法李强;张丽;朱惠人【摘要】To obtain the minimal turbine blade cooling air requirement, the relationship between the mass flow of cooling air and the temperature field of turbine blade is built, by the coupling calculation between heat convection and solid heat conduction for inside and outside surface of turbine blade. According to the assumed mass flow of cooling air, blade temperature distribution is acquired by coupling calculation to find the peak temperature of the blade. The peak temperature is used to adjust the cooling air mass flow of the blade until the temperature field satisfies the designing object. The minimal cooling air is 4. 43% of the total gas, and the maximum temperature of the blade is 1299. UK. The result shows that the method can estimate the turbine cooling air flow reasonably.%通过涡轮叶片内外表面对流换热与固体导热的耦合计算,建立叶片冷气流量与叶片壁面温度分布之间的关系,从而获得涡轮叶片最小冷气需求量.首先根据假定冷气流量进行耦合计算叶片温度分布,并从中获得叶片温度峰值;再依据这一温度峰值,逐步调整冷气进口流量,直到叶片温度场符合设计要求.计算得出叶片最小冷气量为燃气总量的4.43％,叶片最高温度为1 299.11K.结果表明采用本文的方法估算的燃气涡轮叶片的冷却空气量是合理的.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2013(013)010【总页数】5页(P2896-2900)【关键词】涡轮叶片;冷气需求量;耦合计算;温度场【作者】李强;张丽;朱惠人【作者单位】西北工业大学动力与能源学院,西安710072【正文语种】中文【中图分类】V233.54随着燃气轮机广泛应用于发电、航空、航海等领域，人们对其性能的关注日益增加。
涡轮导向叶片综合冷却效率实验研究
涡轮导向叶片综合冷却效率实验研究下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
文档下载后可定制修改，请根据实际需要进行调整和使用，谢谢!本店铺为大家提供各种类型的实用资料，如教育随笔、日记赏析、句子摘抄、古诗大全、经典美文、话题作文、工作总结、词语解析、文案摘录、其他资料等等，想了解不同资料格式和写法，敬请关注!Download tips: This document is carefully compiled by this editor. I hope that after you download it, it can help you solve practical problems. The document can be customized and modified after downloading, please adjust and use it according to actual needs, thank you! In addition, this shop provides you with various types of practical materials, such as educational essays, diary appreciation, sentence excerpts, ancient poems, classic articles, topic composition, work summary, word parsing, copy excerpts, other materials and so on, want to know different data formats and writing methods, please pay attention!涡轮导向叶片综合冷却效率实验研究1. 引言涡轮导向叶片作为航空发动机中的关键部件，其工作环境严苛，需要具备良好的冷却效率以保证性能和寿命。
涡轮机械中的流固耦合分析与优化研究
涡轮机械中的流固耦合分析与优化研究导言：涡轮机械是一类重要的能量转换装置，广泛应用于航空航天、发电和工业生产等领域。
在涡轮机械的设计与开发过程中，流固耦合是一个重要的研究方向。
本文将探讨涡轮机械中流固耦合的分析方法和优化策略，以及其对涡轮机械性能的影响。
第一部分：流固耦合的基本概念流固耦合是指在涡轮机械中，流体和固体之间存在相互作用和相互影响的现象。
涡轮机械的工作原理是通过流体对叶片的冲击和推动，将流体的动能转化为机械能。
流体在经过叶轮时会对叶片施加压力和力矩，而叶片的形状和材料也会对流体流动产生影响。
第二部分：流固耦合分析方法在涡轮机械的设计与开发过程中，流固耦合分析是不可或缺的一步。
目前常用的流固耦合分析方法主要有数值模拟和实验测试两种。
1. 数值模拟方法数值模拟方法是通过建立涡轮机械的数学模型，利用计算流体力学（CFD）和有限元分析（FEA）等数值方法，对流体流动和固体结构进行模拟和计算。
数值模拟方法具有较高的计算精度和灵活性，可以快速预测涡轮机械的性能和优化方案。
2. 实验测试方法实验测试方法通过搭建实验装置，对涡轮机械进行实际测试和观测。
主要包括流量测量、压力测量和叶片振动等实验内容。
实验测试方法能够直接获取涡轮机械的性能参数和工作状态，但成本较高且受环境和设备的限制。
第三部分：流固耦合的优化策略流固耦合分析的目标是寻找涡轮机械的最佳设计和工作参数，以提高效率和可靠性。
在优化过程中，可以对叶轮的形状、材料和叶片间隙等关键参数进行调整。
1. 叶轮形状优化通过数值模拟和实验测试，可以对叶轮的形状进行优化。
优化的目标是使得流体在叶轮上的流动更加顺畅和均匀，减小流体对叶片的阻力和损耗。
2. 叶片材料优化叶片材料的选择对流固耦合分析结果和涡轮机械性能有着重要影响。
优化的目标是选择具有良好耐高温、抗腐蚀和高强度等特性的材料，以提高叶片的寿命和可靠性。
3. 叶片间隙优化叶片间隙是流体通过叶轮时产生的一种非理想流动状态。
《2024年航空发动机气冷涡轮叶片的气热耦合数值模拟研究》范文
《航空发动机气冷涡轮叶片的气热耦合数值模拟研究》篇一一、引言随着航空工业的快速发展，航空发动机作为核心部件，其性能的优劣直接关系到整个飞行器的性能。
在航空发动机中，气冷涡轮叶片是关键的热端部件之一，其工作环境的恶劣性以及高负荷的工作状态，对叶片的气动性能和热性能提出了极高的要求。
因此，对航空发动机气冷涡轮叶片的气热耦合数值模拟研究具有重要的学术价值和实际应用意义。
本文将详细探讨气冷涡轮叶片的气热耦合数值模拟方法及其应用。
二、气热耦合数值模拟方法1. 物理模型建立气冷涡轮叶片的物理模型建立是数值模拟的基础。
该模型应准确反映叶片的几何形状、内部冷却结构以及工作环境的物理特性。
在建立模型时，需考虑叶片的几何复杂性、冷却通道的结构特点以及工作环境中的气体流动、热量传递等物理过程。
2. 数值方法选择数值方法是进行气热耦合数值模拟的关键。
目前，常用的数值方法包括有限元法、有限差分法、边界元法等。
这些方法在处理复杂的流体流动、热量传递等问题时，具有较高的精度和可靠性。
在气热耦合数值模拟中，通常采用计算流体动力学（CFD）方法，通过求解流体的质量守恒、动量守恒和能量守恒等基本方程，得到叶片内部和外部流场的详细信息。
3. 气热耦合模型的建立气热耦合模型的建立是数值模拟的核心。
该模型需考虑气体流动与热量传递之间的相互作用，以及叶片内部冷却结构对流场和温度场的影响。
在建立气热耦合模型时，需将流场和温度场进行耦合，通过求解流体的流动方程和热量传递方程，得到叶片内部和外部的流场和温度场分布。
三、气热耦合数值模拟的应用1. 优化设计通过气热耦合数值模拟，可以获得叶片在不同工况下的流场和温度场分布，进而分析叶片的性能特点及存在的问题。
在此基础上，可以对叶片进行优化设计，提高其气动性能和热性能，从而满足不同工况下的使用要求。
2. 故障诊断与预测气热耦合数值模拟还可以用于故障诊断与预测。
通过对叶片在不同工况下的流场和温度场进行对比分析，可以判断叶片是否存在故障或潜在故障。
涡轮叶片冷却结构设计与试验方法简析
对于推重比高达20:1的航空发动机，提升以涡轮叶片为主的热端部件的耐高温性能的需求十分迫切，先进的涡轮叶片冷却结构设计与试验方法则是提高涡轮前温度的重要保障。
传统的典型涡轮叶片冷却结构主要包含前缘的冲击和气膜冷却结构、尾缘的扰流柱和劈缝冷却结构，以及中弦区域气膜冷却和带扰流肋的通道冷却结构等（如图1所示）。
然而，随着涡轮前温度的不断提升，通过典型冷却结构的简单组合的设计已经不能满足冷却的需求，优化设计已势在必行。
由于涡轮叶片冷却结构设计是一个综合了气动、传热、结构、强度、可靠性等多学科的复杂问题，所以设计过程中不仅需要先进的方法和流程，相关的配套试验也同样不可或缺。
图1 现代涡轮叶片典型冷却结构涡轮叶片冷却结构设计涡轮叶片冷却结构的设计是依据涡轮叶片的工作环境、设计寿命以及降温需求等为基础，在涡轮叶片各位置采用合理的冷却方式来实现最佳冷却效果，同时满足寿命、强度以及耐高温的要求。
传统设计方法和流程涡轮叶片冷却结构的传统设计主要分为方案设计和详细设计两个阶段。
在方案设计阶段是初步确定涡轮叶片冷却结构并进行初步热分析，初步热分析通常采用S1流面流动以及换热计算，基于经验公式的管网计算以及二维导热计算相结合，实现对叶片二维温度场的预测。
在详细设计阶段则是根据涡轮叶片冷效试验结果进行改进设计（设计流程如图2所示）。
目前，涡轮叶片冷却设计都是结合实际情况对上述涡轮叶片设计步骤进行改良的过程。
图2 涡轮叶片冷却结构传统设计流程新型设计方法和流程随着数值仿真技术的发展和计算能力的提升，设计人员更多地借助数值方法提高涡轮叶片冷却结构设计的可靠性并缩短设计周期。
例如，哈尔滨工业大学的涡轮叶片设计团队结合冷却结构参数化建模技术、传统的管网计算方法与新兴的全三维气热耦合数值模拟技术，提出了一套新的涡轮叶片冷却结构设计方法和流程，并编写了相关的设计程序与计算程序（如图3所示）。
在初步设计阶段，设计人员根据气冷叶片的气动参数和叶型特征，参考以往的气冷叶片设计结果，选择多种形式的初步冷却结构。
燃气轮机涡轮叶片冷却试验测试技术
涡轮叶片冷却设计的各项验证试验是燃气轮机整机测试前需要完成的基本任务。
这些验证试验会用到多种测试技术，叶片设计人员掌握这些测试技术的原理、仪器和使用方法，可以为叶片冷却设计的验证和产品的研制成功提供基础支撑。
燃气轮机涡轮叶片冷却设计的验证，需要经过一系列循序渐进的试验，一般分为流量试验、内换热系数试验、气膜有效度试验、外换热系数试验、冷效试验、整机试验等。
燃气轮机研发中的这些试验需要用到多种试验测试技术，主要分为常规流场测量技术、叶片温度测量技术、传热组合量的测量等几类。
其中，流场测量是各项冷却试验测试的基础，叶片温度测量是冷却试验的核心，其他物理量的测量则是为了测量一些组合物理量，如热流密度、换热系数、气膜有效度等。
为了达到试验目的，顺利完成试验任务，选择合适的测量技术至关重要。
常规流场测量技术涡轮叶片的各项验证试验都需要测量流场的基本参数，其中，流量、压力、流场温度、湍流度等参数是最基本的测量物理量。
流体流量和压力的测量已经非常成熟，不再赘述。
流场的温度测量方法也很多，叶片温度测量所使用的大部分技术和手段都可用于流场温度的测量（在叶片温度测量技术中详细叙述）。
流场湍流度的测量相对复杂，且一般需要经过数据处理和换算，目前常用的手段有脉动压力传感器、激光多普勒测速（LDV）、热线风速仪（hot wire anemometer）和粒子图像测速（PIV）技术等，其中热线风速仪使用最为广泛。
热线风速仪主要有恒温式和恒流式两种，常用的是恒温式。
热线风速仪有很多的生产厂家，但可用于流动细节和机理研究、可测量较高脉动频率的较少。
目前的技术还是用于测量较为宏观的参数，这对于试验而言也已经足够。
热线风速仪的国际知名厂商主要有美国的提赛环科仪器（TSI）公司和丹麦的丹迪动态（Dantec）公司，它们的典型产品性能如表1所示。
表1 热线风速仪性能叶片温度测量技术叶片温度的测量是冷却试验的核心。
温度测量技术可以分为两大类，接触式测量和非接触式测量。
涡轮径向内冷叶片气热耦合的数值分析
（
２
涡轮径 向内冷叶 片气 热耦７． ＝ ．６Ｗ／ｍ ） ＝ ｌ． 中 １８４ Ｓｏ ２３ １， ０ ２１ （ ・ ， １０ ６ ７ １ Ｔ １ ０ Ｓ ５
比热容用温度多项式进行拟合
Ｃ 口＝ａ ｏ＋ａ Ｔ＋ａ Ｔ ＋ａ Ｔ ＋ａ Ｔ ｉ ２ ３ ｎ
＝
，
９９】 ． ０５＋Ｏ． １ ７ ０】 ５ １
＃
１
２
直径／ （ ） 唧
６． ３
６． ３
流彰
表 １冷却通道进 口条件 （ｇ ｓ ｒ （ ） ｋ／） ｒ Ⅲ Ｋ Ｔ． （ ） Ｋ ／
３６ ３ ３． ９
３６ ２ ２． ７
Ｃ ｒ
１１８ ． １
１１８ ＿ １
摘 要 ：采ｒ气热耦合方法对采用径向内冷方式的 Ｍａ ｌ型跨声速高压燃气涡轮金属导叶进行数值模拟，通 ｆ ｊ ｒＩ ｋ 过分析叶片通道内的传热和流动过程发现叶片表面附面层内流动非常复杂，包含层流流动、转捩和湍流流动状态， 所以只有使用转捩模型计算的叶片附面层 内流动与实际情况相符 ，叶片壁面温度和换热系数分布与实验结果吻合 的较好 ，使用其他湍流模型由于不能准确描述附面层 内流动而使得计算结果误差相对较 大，但是 所有的湍流模型
１数值方法 增戮
根据文献 １２ － 选用 Ｍ ｒ Ｉ ３ ａ ｋ Ｉ型叶片 ５ １ 号实验工况进行模拟 ，几何尺寸和进 出口边 界条件参 ４１ 数见图 １ ，叶片内部有 １ ０个径 向圆管型冷却通道 ，其冷却通道的直径 、冷却气体流量 、冷却气 体中径处平均总温 Ｌ； 和根据冷却通道 内温度线 ｝升高假 设估算出的冷却气体进 口总温 见表 生 １ 。在数值模拟中对流体部分采用分块化六面体网格，涡轮流道 内网格数量约为 １８万 ，冷却孔 ０ 内的网格数量约为 ８ 万 ，同体叶片部分采用棱柱型网格 ，网格数量约为 ３ 万 ，另外在流 耦合 ９ ２ 壁面 的流体侧 （ 燃气侧和冷气侧） 的附面层 内采用加密网格 （０层） 并保证 ｙ ＜ ， ３ ， ＋ １ 网格具体排列方 式见 图 ２ 。 数值模拟流体工质选用可压理想燃气 ，分子粘性和热传导系数均采用 Ｓ ｔｅ ｌｎ ｕ ｈ ｒ ａｄ公式表示 为温度的函数
采用热-流耦合方法对气冷涡轮叶片换热的计算
第２卷第２ ５ 期
Ｖｏ ． ５ Ｎｏ ２ １２ ．
采 用 热一 耦 合 方 法 对气 冷 涡轮 叶 片换 热 的计算 流
刘 振 侠 ，张 丽 芬
（ 西北 工业大学 动力与能源学院，陕西 西安 ７ ０ ７ ） １ ０ ２
摘 要 ； 以往 在 计算 气 冷涡轮 叶 片温度 场 时需要 预先 求 出叶 片和 燃 气 交界 面 以及 叶 片和 内冷 气体
ａｔ
＋ ｐ 一 ＝ ，３ 去（ ０ ＝ ２ ｕ ） ：， １
动量方 程 ：
（ ＋ ｐ ）一 去（——） 鑫（ ＝ 差＋ ｒ ｐｕ ｕ ∞ ｌ ｕ ｉ ｊ
，
流体
厂、
Ｊ： １ ２ ３ ， ，
／～
固体
能量方 程 ：
ｃ 矗ｃＣ 矗 丁＋ 一 ｊ
Ｊ一 １ ２， ， ３
流耦 合 方法 首先 对流 体扰 流 前缘 为钝 形 平板 的二 维层 流流 动进 行 了计 算 ， 算 结果 与 分析 解进 行 计
对比， 两者符 合 良好 ， 明 了方 法 的可 靠性 ， 此基础 上 对 Ｍａｋ Ⅱ涡轮 叶 片 的换 热 问题 进 行 了计 证 在 ｒ
算 ， 算结 果与 实验值 吻合 较 好 。 明热一 计 说 流耦 合 方法在计 算 涡轮 叶 片换 热 问题 时是有 效 可行 的 ， 具
有很 高的工程应 用价 值 。
关
键
词 ： 流耦合 ， 热一 涡轮 叶 片， 合换 热 耦
中 图分类号 ： ３ ． ，Ｖ２ ２ ４ Ｖ２ １ １ ３ ．
文献 标识 码 ： Ａ
文章编 号 ：０ ０ ２ ５ （ ０ ７ ０ — ３ ５０ １ ０ — ７ ８ ２ ０ ） ２０ １ —５
航空发动机涡轮叶片冷却技术综述
航空发动机涡轮叶片冷却技术综述2 中国人民解放军31434部队3 空军航空大学航空作战勤务学院摘要:航空发动机是飞机的心脏，而涡轮叶片是航空发动机核心部件之一，被誉为“皇冠上的明珠”。
本文简单介绍了涡轮叶片冷却技术的重要性及其基本原理，分类列出了目前实际应用中的几种主要的涡轮叶片冷却技术。
对相关文献资料进行汇总分析后提出了涡轮叶片冷却技术的发展趋势。
关键词: 航空发动机涡轮叶片冷却技术传热系数0引言1903年12月7日由莱特兄弟设计的“飞行者1号”实现了有动力、载人、持续、稳定和可操纵的重于空气的飞行器的首次升空。
开创了航空飞行的新纪元。
100多年过去了，航空事业得到了迅猛的发展。
作为飞机的“心脏”，航空发动机也同样走过了百年的光辉历程，从最初的活塞式发动机，发展到后来的航空燃气涡轮发动机，再到目前正在研究的新概念、新能源发动机，航空发动机的性能也一直在进步。
航空发动机决定着飞机的性能，对国防和国民经济具有重要意[1]。
现今的航空发动机以航空燃气涡轮发动机为主。
分为涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮轴发动机、桨扇发动机等。
涡轮部件在这些种类的发动机中起着极其重要的作用。
1航空发动机涡轮叶片冷却的意义航空发动机涡轮属于热端部件，涡轮叶片的工作环境非常恶劣：叶片工作温度很高，进口燃气温度已达1400甚至更高，对高温下叶片材料的持久强度、蠕变强度、韧性、抗热疲劳和机械疲劳性能以及抗高温氧化和抗热腐蚀能力提出了更高的要求。
我国早期发展的航空燃气涡轮发动机涡轮叶片并没有采用冷却技术，这也在很大程度上限制了我国航空发动机的技术革新，使得涡轮前温度受限。
涡轮叶片冷却技术的出现，在极大程度上解决了航空发动机涡轮叶片材料受限的难题，大大拓宽了航空发动机的技术革新领域，增大了航空发动机的气流冷却能力。
理论与实践都已表明，应用新发展的冷却技术取得的发动机性能的提高远大于高温材料的发展速度，已成为提高发动机性能的有效、可行途径之一。
涡轮导向叶片热冲击双向耦合数值研究
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]。
涡轮叶片表面流动及换热特性实验研究
黄小 杨 ， 朱 惠人 ， 张 宗卫 ， 孟庆 昆 （ 西北 工业 大学动 力 与能 源 学院 ， 陕西 西安 ７ １ ０ ０ ７ ２ ）
Ｅｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ Ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ｏ ｆ Ｆｌ ｏ ｗ ａ ｎ ｄ Ｈｅ ａ ｔ Ｔｒ ａ ｎ ｓ ｆ ｅ ｒ Ｃｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔｎ ｅ Ｂｌ ａ ｄ ｅ Ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ
的存 在使 叶片 表面 的换 热 系数 增 大 １ ０ ０ ～２ ０ ０ 。
潘 炳华 等［ ５ 通 过数 值计 算方 法对 高压 涡轮转 子 叶片
凹槽 端面 的流 动与 换 热特 性 进 行 了初 步 研 究 ， 并 与
平 板 端面进 行 了 比较 ， 计算 结果表 明， 叶 尖 间 隙 越 小， 凹槽 的节流 效果就 越 明显 ， 叶片端 壁面 平均换 热 系数 的影 响越 大 。刘 锐等 ［ ６ 对燃 气透平 第 一级 叶栅
ｎ ｅ ａ ｒ ｔ ｈ ｅ ａ ｒ ｅ ａ ．０ｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｔ ｈ ｅ Ｎｕ ｓ ｓ ｅ ｌ ｔ
热 特性 。
Ｃ ｈ ｏ ｉ 等［ ２ 使 用实 验方 法 ， 研 究 了低 雷诺 数 流 动
下湍 流度对 涡 轮叶 片换 热和 压力 系 数 的影 响 。Ｍｅ －
ｈ ｅ ｎ ｄ ａ ｌ ｅ 等［ ３ 研究 了高湍 流 度 对无 气 膜 冷 却 时 静 叶 前 缘 区域换 热 特性 的影 响 ， 发 现高 湍 流 度 有利 于 提 高前缘 的换 热 系数 。Ｚ ｈ ａ ｎ ｇ等 － ４ ］ 研 究 了非稳 态尾 迹 对涡 轮叶 片燃气 侧换 热 的影响 ， 实验结 果表 明 ， 尾迹
《2024年航空发动机气冷涡轮叶片的气热耦合数值模拟研究》范文
《航空发动机气冷涡轮叶片的气热耦合数值模拟研究》篇一一、引言航空发动机是现代航空器的“心脏”，其性能直接影响飞行器的运行效率、安全性及使用寿命。
作为航空发动机关键部件之一，气冷涡轮叶片的工作环境极端复杂，涉及到高温、高压、高速度的气流冲击，因此其性能的优化和设计至关重要。
近年来，随着计算流体动力学（CFD）技术的不断发展，气热耦合数值模拟技术为航空发动机气冷涡轮叶片的设计和优化提供了新的方法和手段。
本文旨在研究航空发动机气冷涡轮叶片的气热耦合数值模拟技术，为航空发动机的研发和改进提供理论支持。
二、研究背景及意义随着航空技术的快速发展，航空发动机的性能要求越来越高，特别是在高温、高压、高速度的工作环境下，对气冷涡轮叶片的耐热性能和强度性能提出了更高的要求。
传统的试验方法在研发过程中耗时耗力，成本高昂，而气热耦合数值模拟技术能够在不进行实际试验的情况下，预测气冷涡轮叶片在极端工作环境下的性能表现，为设计优化提供理论支持。
因此，研究航空发动机气冷涡轮叶片的气热耦合数值模拟技术具有重要的理论意义和实际价值。
三、研究内容本研究采用气热耦合数值模拟方法，对航空发动机气冷涡轮叶片的流场、温度场及应力场进行综合分析。
具体研究内容包括：1. 几何建模与网格划分：根据实际气冷涡轮叶片的几何形状，建立精确的三维模型，并进行网格划分。
网格的质量直接影响到数值模拟的精度和计算效率，因此需要采用合适的网格划分方法。
2. 边界条件设定：根据实际工作情况，设定气冷涡轮叶片的进出口边界条件、热物理参数等。
3. 数值模拟方法：采用计算流体动力学（CFD）方法，对气冷涡轮叶片进行流场、温度场及应力场的数值模拟。
在流场分析中，考虑气体的可压缩性、湍流效应等因素；在温度场分析中，考虑气体与叶片之间的热交换过程；在应力场分析中，考虑温度梯度引起的热应力。
4. 气热耦合分析：将流场、温度场及应力场进行气热耦合分析，研究气冷涡轮叶片在高温、高压、高速度气流冲击下的性能表现。
气冷涡轮叶片气热耦合数值模拟研究
气冷 涡轮 叶 片 气热耦 合 数值 模 拟研 究
尚仁操 乔 渭 阳 许 开 富 （ 西北 工业大 学 动 力与能 源学 院 ， 西安 ７ ０ ７ ） １０２
Ｃｏ ｐｉｇ ｎ ｍｅ ｉａ ｉ ｌｔ ｎ ｏ ｅ ｔ ｆ ｗ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔ ｓ ｏ ｅ ｔ ｒ ｉｅ ｕ ｌ ｕ ｎ ｒ ｌ ｍｕａ ｉ ｆ ａ － ｌ ｃ ａ ａ ｔ ｒ ｉ ｆ ｈ ｕ ｂｎ ｃ ｓ ｏ ｈ ｏ ｓｃ ｔ ｂａ ｅ ｗｉ ｎ ｅ ｎ ｏ ｌ ｇ ｌｄ ｔ ｉｔ ｒ ａｌ ｏ ｉ ｈ ｃ ｎ
维普资讯
第 １ ２期
２０ ０ ７年 １ ２月
文章编号：０ １３ ９ （０ ７ １ — ０ １ ０ １０ — ９ ７ ２ ０ ）２ ０ １－ ３
机 械 设 计 与 制 造
Ｍａ ｈ ｎ ｒ Ｄ ｓｇ ｃ ｉｅｙ ｅ ｉｎ ＆ Ｍａ ｕ ａ ｔ ｒ ｎ ｆ ｃｕ ｅ
燃气轮机涡轮冷却叶片设计及优化
燃气轮机涡轮冷却叶片设计及优化燃气轮机是一种高效、可靠的动力设备，广泛应用于发电、航空、船舶等领域。
其中，涡轮是燃气轮机中最关键的部件之一，其叶片的设计与优化对于提高燃气轮机的效率和性能至关重要。
涡轮冷却是涡轮叶片设计与优化中不可或缺的环节。
涡轮叶片在运转时会受到高温高压气流的冲击，如果不及时进行冷却，叶片就会出现烧蚀、断裂等问题，从而影响燃气轮机的工作效率和寿命。
因此，涡轮冷却技术的研究与应用对于提高燃气轮机的性能和寿命具有重要意义。
涡轮冷却技术主要包括内部冷却和表面冷却两种方式。
内部冷却是通过在叶片内部引入冷却介质来进行冷却，常用的冷却介质有空气、氢气、水蒸气等。
表面冷却则是通过在叶片表面覆盖冷却剂来进行冷却，通常采用的是涂覆陶瓷材料或金属涂层等技术。
在涡轮叶片设计过程中，需要考虑叶片的热传导性能、强度和耐腐蚀性等因素，同时还需要根据燃气轮机的工作条件和要求进行优化。
例如，对于高温高压工况下的叶片设计，可以采用多孔陶瓷材料，利用其良好的隔热性能和热工稳定性来提高叶片的耐高温性能。
涡轮叶片的形状和结构也对冷却效果有很大的影响。
例如，采用S 形叶片可以增加叶片表面积，从而提高表面冷却效果；采用弧形叶片可以减小叶片轮廓尺寸，减少叶片的重量和惯性，从而提高燃气轮机的转速和响应速度。
涡轮叶片的设计和优化需要结合理论计算和实验验证。
在计算方面，可以采用有限元法、CFD模拟等技术进行设计和分析；在实验方面，可以通过风洞试验、热试验等方法进行验证和优化。
同时，还需要考虑到制造和成本等因素，确保设计方案的可行性和经济性。
涡轮冷却叶片设计与优化是燃气轮机研究中的重要问题。
通过合理的设计和优化，可以提高燃气轮机的效率和性能，延长其使用寿命，为工业生产和社会发展做出更大的贡献。
《2024年航空发动机气冷涡轮叶片的气热耦合数值模拟研究》范文
《航空发动机气冷涡轮叶片的气热耦合数值模拟研究》篇一一、引言随着航空工业的飞速发展，航空发动机作为飞机的重要动力系统，其性能的优劣直接关系到飞行器的性能与安全。
而涡轮叶片作为航空发动机的核心部件之一，其性能对发动机的总体性能起着至关重要的作用。
气冷涡轮叶片因其能够有效进行热管理，已经成为现代航空发动机中的主要类型。
本文将对航空发动机气冷涡轮叶片的气热耦合数值模拟研究进行深入探讨。
二、气热耦合数值模拟方法气热耦合数值模拟是一种基于计算流体动力学（CFD）和热力学原理的数值模拟方法，它能够有效地模拟和分析涡轮叶片在高温、高压、高速气流环境下的气动性能和热性能。
该方法通过将流场和温度场进行耦合计算，能够得到更准确的叶片表面温度分布、热应力分布以及热变形等关键参数。
三、气冷涡轮叶片的数值模拟模型在气热耦合数值模拟中，首先需要建立气冷涡轮叶片的数值模拟模型。
该模型应包括叶片的几何形状、材料属性、边界条件等关键信息。
其中，叶片的几何形状和材料属性对模拟结果的准确性有着至关重要的影响。
此外，还需要考虑流场的湍流模型、传热模型等因素，以更准确地描述涡轮叶片在复杂环境下的工作状态。
四、气热耦合数值模拟过程在建立好数值模拟模型后，需要进行气热耦合数值模拟计算。
首先，通过CFD方法对流场进行计算，得到叶片表面的气流速度、压力分布等关键参数。
然后，将流场计算结果与传热模型进行耦合计算，得到叶片表面的温度分布和热应力分布等关键参数。
最后，根据这些参数对涡轮叶片的性能进行评估和分析。
五、结果分析与讨论通过对气冷涡轮叶片的气热耦合数值模拟计算，我们可以得到一系列关键参数，如叶片表面的温度分布、热应力分布以及热变形等。
这些参数能够帮助我们更准确地了解涡轮叶片在工作过程中的性能变化和损伤情况。
通过对这些结果进行分析和讨论，我们可以得出以下结论：1. 叶片表面的温度分布对涡轮叶片的性能有着重要影响。
高温区域容易导致材料性能下降，甚至发生损伤。
涡轮叶片的气热耦合
涡轮叶片的气热耦合涡轮叶片是涡轮机的核心元件，它直接参与到燃气机械能的转换过程中。
涡轮叶片的气热耦合是指叶片在工作过程中与燃气间的能量交换和热传导现象。
这一现象对于涡轮机的性能和寿命具有重要影响。
涡轮叶片的气热耦合主要体现在两个方面：一是叶片受到燃气冲击和热负荷的作用，二是叶片通过传导和对流的方式将热量传递给周围环境。
涡轮叶片受到燃气冲击和热负荷的作用。
在涡轮机工作过程中，高温高压的燃气通过喷嘴向叶片表面喷射，叶片上形成一个高温高压区域。
同时，燃气的流动也会给叶片带来冲击力，使叶片受到力的作用。
这些冲击和热负荷会引起叶片的应变和变形，对叶片的强度和稳定性提出了挑战。
涡轮叶片通过传导和对流的方式将热量传递给周围环境。
由于叶片表面温度高于周围环境温度，因此存在热量的传导和对流现象。
叶片内部的热量通过传导逐渐向叶片表面传递，然后通过对流的方式散热到周围环境中。
这一过程不仅能够保持叶片的工作温度在合适范围内，还能够保护叶片不受过热损坏。
为了充分发挥涡轮叶片的性能，降低能量损失和热损失，需要进行相应的设计和优化。
一方面，需要对叶片的材料和结构进行选择和设计，以提高叶片的强度和耐高温性能。
另一方面，需要考虑叶片的冷却问题，采取合适的冷却措施，以提高叶片的散热能力。
涡轮叶片的研究和开发已经取得了很大进展。
通过优化叶片的材料和结构，提高叶片的强度和耐高温性能，可以实现涡轮机的高效运行和长寿命。
同时，通过合理设计叶片的冷却系统，可以有效降低叶片的工作温度，提高叶片的散热能力。
这些技术的应用使得涡轮机的性能得到了显著提升。
涡轮叶片的气热耦合是涡轮机工作过程中不可忽视的重要现象。
通过合理的设计和优化，可以提高涡轮叶片的性能和寿命，实现涡轮机的高效运行。
在未来的研究中，还需要进一步深入理解涡轮叶片的气热耦合机制，开发出更加先进的涡轮叶片材料和结构，以应对更高温度和更大压力的要求，推动涡轮机技术的进一步发展。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
冷却叶片的结构决定了内外通道流动区域要同
时建模， 这样可以避免在尾缘劈缝冷气与主流燃气
掺混处人为加入掺混模型， 从而直接模拟计算其掺
混流动， 提高计算的精度。冷却叶片内部的复杂结构
为建立计算模型增加了难度。在气热耦合计算中， 将
计算区域内分为两个区域， 一个是叶片本身的固体
区域， 一个是包括内外流动的流体区域。为了提高气
２ 物理模型及控制方程
为了提高涡轮叶片的冷却效果， 目前涡轮叶片 内部通道设计得都比较复杂， 叶片内部狭窄通道内 布置了大量的扰流柱和扰流肋片， 提高内部冷却空 气的紊流度以提高其换热效果。本文研究的涡轮转 子叶片冷却方式为冷却空气从叶片榫头上的开孔流 入叶片内部的冷却流道， 经过冷却换热后从叶片尾缘 劈缝流出， 并与主流燃气掺混。在内部冷却流道的叶 片前半部分沿叶高布置了几条扰流肋片， 叶片后半部 分布置大量的扰流柱来提高冷却空气的换热效率。
收稿日期： ２００５－ １２－ ０５； 修回日期： ２００６－ ０２－ ２０ 作者简介： 董 威（１９７０－ ）， 男， 山东高唐人， 副教授， 博士， 主要研究方向为航空燃气轮机的流动换热。
第 １９ 卷
燃气涡轮试验与研究
１５
转换带来了一定的误差， 作为瞬态分析这种解法就 更困难了。随着流体力学计算方法的发展， 尤其是网 格生成技术的发展， 再加上计算条件的不断提高， 使 得气热耦合一体化计算成为可能［２， ３］。近年来， 国内 的航空院校等高校和中科院工程热物理研究所都就 此方面展开了研究工作［４， ５］， 但总体来说目前的研究 集中在算法应用的可行性上， 对于气热耦合一体化 在实际复杂结构的涡轮冷却叶片设计上的应用研究 及存在的一些问题还很少见到有研究报道， 从总体 来说气热耦合一体化的实际应用还有许多工作要完 善。
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ｔｈｅ ｃｏｕｐｌｅｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｅ ｏｆ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｔｕｒｂｏｆａｎ ｅｎｇｉｎｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｔｕｒｂｉｎｅ ｂｌａｄｅ． Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｔｈｒｅｅ－ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ ａｎｄ ａ ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｗａｓ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ， ｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｗｅｒｅ ｇａｉｎｅｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｕ－ ｐｌｅｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｏｏｌｉｎｇ ｔｕｒｂｉｎｅ ｂｌａｄｅ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｔｕｒｂｉｎｅ ｂｌａｄｅ； ｃｏｕｐｌｅｄ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ； ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ； ｆｌｏｗ ａｎｄ ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ
２
!（"ｖ） ＋ !（"ｕｖ） ＋ !（"ｖ ） ＋ !（"ｖｗ） ＝ !ｔ !ｘ !ｙ !ｚ
－ !ｐ ＋ !τｘｙ ＋ !τｙｙ ＋ !τｚｙ !ｙ !ｘ !ｙ !ｚ
２
!（"ｗ） ＋ !（"ｕｗ） ＋ !（"ｖｗ） ＋ !（"ｗ ） ＝ !ｔ !ｘ !ｙ !ｚ
－ !ｐ ＋ !τｘｚ ＋ !τｙｚ ＋ !τｚｚ !ｚ !ｘ !ｙ !ｚ
热耦合计算的稳定性， 本文对于稳态计算采用了时
间推进的方法， 对于流体区域的控制方程采用三维
非定常 Ｎ－ Ｓ 方程， 对于固体区域的温度场计算主要
是对瞬态导热方程进行求解。虽然求解带有时间项
非定常方程， 降低了计算效率， 但是大大提高了气热
耦合计算的稳定性， 这对于冷却涡轮叶片这类复杂
问题的气热耦合计算求解有时是非常必要而有效的
１６
董 威等： 某型发动机涡轮冷却叶片的流动换热耦合计算研究
为温度， ｔ 为时间， ｋ 为空气的导热系数。 为了封闭上述方程组， 引入流体的状态方程和流
体输运特性关系式， 热力学完全气体的状态方程为：
２２ ２
ｐ＝（γ－ １）［ｅ－ "（ｕ ＋ｖ ＋ｗ ）／２］ 式中： γ为空气的比热比。
计算中湍流模型采用双方程的 ＲＮＧ ｋ－ ε湍流 模型， 近壁采用标准的壁面函数处理。
得 数 值 模 拟 研 究 的 方 法 越 来 越 受 到 人 们 的 重 视［１］。 目前涡轮叶片热环境计算中普遍采用的是分离迭代 求解方法， 也有称作松弛耦合方法。即将求解区域划 分为流体区域和固体区域， 首先在假定固壁温度条 件下针对流体区域单独进行流动计算， 由此得到流 动对固体区域的换热系数； 然后再对固体区域单独 求解导热方程， 得到固体区域的温度分布， 再以此温 度分布作为流体区域计算的边界条件进行流动计 算， 反复迭代， 直到满足一定收敛条件为止。这种方 法存在两个缺点， 一是计算量大， 二是数据转换麻 烦。整个迭代过程需要采用不同的求解方法， 数据要 经过多次转换和整理， 工作量很大， 求解周期长。并 且计算方法不同使得流固边界网格很难统一， 数据
摘 要： 在对某型涡扇发动机高压涡轮转子叶片冷却结构分析的基础上， 建立了流动换热分析的气热耦合计算模型， 采用通用流体力学计算软件完成了高压涡轮转子叶片复杂结构的内外流场和温度场的一体化计算， 得到了涡轮叶片 流动换热的数值计算结果， 对其冷却结构的换热效果进行了分析， 并对气热耦合计算在涡轮冷却叶片设计中的应用进 行了分析和探讨。 关键词： 涡轮叶片； 耦合计算； 数值模拟； 流动换热 中图分类号： Ｖ２３１．１ 文献标识码： Ａ 文章编号： １６７２－ ２６２０ （２００６） ０２－ ００１４－ ０４
能量方程：
!ｅ !ｔ
＋
!（ｕｅ＋ｐ） !ｘ
＋
!（ｖｅ＋ｐ） !ｙ
＋
!（ｗｅ＋ｐ） !ｚ
＝
! （ｋ !Ｔ ）＋ ! （ｋ !Ｔ ）＋ ! （ｋ !Ｔ ） !ｘ !ｘ !ｙ !ｙ !ｚ !ｚ
式中： ｅ＝
ｐ
＋
１
２２ ２
"（ｕ ＋ｖ ＋ｗ ），
"
为密度，
ｕ、ｖ、ｗ 分别为
ｒ－ １ ２
ｘ、ｙ、ｚ 方 向 的 速 度 ， ｐ 为 压 力 ， τ为 粘 性 应 力 张ＦＬＵＥＮＴ 软件完成， 对前面的守 恒型方程组采用有限体积法进行差分离散， 对实际 流动变量直接进行求解。涡轮叶片外面的燃气流场 中存在局部的超声速流动， 需要考虑流动的可压缩 性， 并要求流动计算中计算方法能自动捕捉到流场 的激波并不引入过大的人工粘性； 涡轮叶片内部冷 气流动通道内的流动速度相对较小， 可压缩性的影 响不大。因此， 在计算方法上选用 ＦＬＵＥＮＴ 软件中的 耦合算法， 守恒方程组中的无粘流通量采用标准的迎 风矢通分裂方法计算， 显式时间推进采用四阶龙格－ 库塔法， 得到稳态下的叶片流动换热计算结果。
为了提高计算效率， 在网格划分时将流动部分 分成进口区域、叶片区域、出口区域和内部冷气流动 区域。这样可以在不同区域根据流动特点单独划分 网格， 确保重要流动区域的网格划分能够满足计算 精度要求， 又同时使整体计算网格数量不至于过大。 叶片表面及内部空腔网格划分得比较密， 对于流场 来说应满足壁面函数的要求； 远离叶片的流场区网 格划分得比较大。整个气热耦合计算区域网格数为 ９５ 万， 计算网格见图 １。
计算区域包括燃气流过的外流场， 冷却气体流 过的内冷通道， 以及叶片本身的金属本体。主要的边 界条件有进口边界条件、周期边界条件、出口边界条 件和壁面边界条件。对于燃气进口， 由于进口气流为 亚声速， 边界给定来流总压、总温以及三个方向的速 度方向。燃气通道周向边界给定旋转周期边界条件。 燃气出口边界条件给出静压分布。冷却气体进口给 出总压、总温以及进气速度方向， 冷却气体出口在燃 气通道区域不用给边界条件。对于叶片榫头不与燃 气接触的部分给等温边界条件。
对于流体区域的控制方程采用三维非定常 Ｎ－ Ｓ
方程， 其守恒型运动方程组如下：
连续方程： !" ＋ !（"ｕ） ＋ !（"ｖ） ＋ !（"ｗ） ＝０ !ｔ !ｘ !ｙ !ｚ
动量方程：
２
!（"ｕ） ＋ !（"ｕ ） ＋ !（"ｕｖ） ＋ !（"ｕｗ） ＝ !ｔ !ｘ !ｙ !ｚ
－ !ｐ ＋ !τｘｘ ＋ !τｙｘ ＋ !τｚｘ !ｘ !ｘ !ｙ !ｚ
Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｏｏｌｉｎｇ Ｔｕｒ ｂｉｎｅ Ｂｌａｄｅ