高负荷氦气压气机损失机理及相似模化的研究
高温气冷堆以其固有的安全性和经济性,是最有希望成为第四代先进核能系统的技术之一。作为高温气冷堆的重要工作部件,氦气压气机的稳定和高效工作具有重要的意义。从公开发表的文献来看,涉及氦气压气机气动设计部分很少。尽管在空气压气机叶栅流动方面已经取得一定的成果,但空气和氦气的物性相差较大,氦气的压缩机理和设计方法还不够深入,特别是对于高负荷氦气压气机叶栅中边界层流动分离方面及其特性的研究还有待深入。 本文以高负荷氦气压气机二维平面叶栅为研究对象,利用数值模拟方法,基于γ-Reθ转捩模型,对高负荷氦气压气机叶栅进行不同来流攻角、不同雷诺数及不同马赫数等来流条件下的叶栅流场计算,结合叶栅表面附面层计算程序,研究来流条件的变化对氦气逆压流动附面层发展的影响规律,对氦气压气机的流场特点、损失机理进行分析;研究不同负荷及不同叶型特点的氦气压气机叶栅附面层流动情况。研究结果表明,随着冲角、马赫数的增大和来流雷诺数的减小,高负荷氦气压气机叶栅吸力面转捩点位置提前,转捩过程加剧,使得吸力面附面层位移厚度迅速增大,导致叶栅总压损失增大。基于相似模化理论,进行氦气压气机不同工质气动性能的数值模拟计算,分析了三种不同负荷叶型下的氦气和空气流动差异性,研究结果表明,随着叶栅负荷的增加,工质粘性项作用增强,氦气与空气叶栅流动差异性逐渐增大。并从理论方面对不同工质相似模化偏差进行分析。结果表明,对于不同工质间的相似模化,随着马赫数的增加,不同工质间的相似模化偏差逐渐增大,且使用马赫数作为模化准则的产生的偏差要大于使用欧拉数作为模化准则的相应值。 分析了端壁边界层中流体的运动规律,指出端壁边界层距离叶栅表面距离不同的流线具有不同的流向动量,因此具有不同的流动特点,研究结果进一步加深对高负荷氦气压气机叶栅中流体运动和发展的认识;针对高负荷氦气矩形叶栅端部流动情况差,损失较高的情况,研究具有不同负荷和不同弯角及弯高的高负荷叶栅的流动结构及角区失速情况。结果表明,随着叶栅负荷和冲角的增加,高负荷氦气压气机叶栅分离形态由开式向闭式分离转化,对于高负荷氦气压气机,恰当的叶片弯角和弯高可以有效改善高负荷氦气压气机端部流动状况,减少端部低能流体的堆积,使叶片吸力面的分离形态变得简单,减小分离范围。
氦气压气机;二维平面叶栅;数值模拟;损失机理;分离结构
哈尔滨工程大学
硕士
动力机械及工程
郑群
2013
中文
U664.51
87
2014-04-17（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）