基于OpenFOAM的涡轮叶栅及典型内冷通道数值研究
燃气轮机在经济的可持续发展中占据着重要的地位，具有高效率、高稳定性的优点。提高涡轮进口温度是获得更高的燃气轮机循环效率重要的手段之一，但是过高的进口温度使得高压涡轮静叶、动叶等部位承受着较高的热负荷，甚至超过了材料许用范围，因此如何设计叶片冷却系统尤为重要。在多种冷却方法的研究中，叶片内部通过湍流发生器增强冷却的方法被证明是有效的、方便的。近年来数值模拟正在成为研究涡轮叶片内部冷却流动的有效手段，其中大涡数值模拟(LES)正在得到越来越广泛的应用。 本文基于开源软件OpenFOAM中的rhoPimpleFoam求解器，对算法进行改进，并对多种湍流模型的应用进行探讨，包括多种RANS湍流模型、LES OneEqddy亚格子模型、DynOneEqEddy亚格子模型等。为了在大涡数值模拟计算过程中节约计算资源，对OpenFOAM中的并行加速进行研究。通过典型的粘性方腔流动验证了计算平台具有良好的编译性。 将改进的数值算法应用于二维后台阶及三维涡轮叶栅流场的计算中，并进一步对算法进行验证。指出采用双曲正切进口条件得到的台阶后的旋涡结构与实验结果最为吻合，采用 OpenFOAM中的 turbulentInlet、fixedValue进口条件的计算结果具有较好的一致性，但是与实验结果相差较大。对三维叶栅型面静压以及流场结构对比结果表明：kω-sst湍流模型得到的结果与实验数据最为吻合。 对 U型带肋双通道流动换热机理进行研究。指出在静止状态下，各种湍流模型都能模拟出通道壁面换热的基本规律，但是LES能够清晰的捕捉到流场中的强剪切效应的细微结构，清楚模拟出雷诺应力分布规律。进一步采用LES OneEqddy亚格子模型对不同旋转方向下的带肋双通道进行研究。旋转时科氏力诱导的二次流在壁面附近的动量输运中占据着重要作用，旋向影响由于肋的存在诱导的流动分离、再附以及旋涡结构。不同的旋转方向对于通道中压力的影响是相似的：径向外流通道中的压力随着流动逐渐增加，在弯管处达到最大值，随后压力逐渐降低。与静止状态相比较：总体而言旋转增强壁面上的换热性能。径向外流以及径向内流通道中面平均的努赛尔数比值在逆时针旋转时分别增加了22.72%、35.37%，在顺时针旋转时分别增加31.18%、15.62%。两种旋转状态下壁面上换热性能的发展趋势与理论分析的规律相同的。
燃气轮机;湍流发生器;涡轮叶片;内部冷却;大涡数值模拟
哈尔滨工业大学
硕士
动力机械及工程
韩万金
2017
中文
TK472
89
2018-10-26（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）