邊界元法在氣熱耦合計算及冷卻結構優(yōu)化中的應用研究.pdf

1、航空發(fā)動機技術已成為衡量國家科技工業(yè)水平和綜合國力的重要標志，為此各國競相開展了航空發(fā)動機的高技術研究。隨著航空工業(yè)的發(fā)展，對發(fā)動機提出了更高的要求，要求它有更高的推重比、更大的單位體積輸出功率、更低的燃油消耗率及更好的可靠性能等。提高渦輪前燃氣溫度是提高發(fā)動機性能的有效途徑，然而，渦輪進口溫度的提高速度遠遠高于葉片材料耐溫性能的發(fā)展速度，由此為保證渦輪葉片在高溫環(huán)境下安全可靠地工作，必須采取有效的冷卻技術和熱防護措施。渦輪葉片溫度場的

2、準確預測可以有效地指導設計人員進行渦輪葉片冷卻結構設計，以提高冷卻效率、延長葉片工作壽命。本文的主要工作是在哈爾濱工業(yè)大學推進理論與技術研究所原有的流體計算程序基礎上，搭建具有自主知識產權、適用于氣冷渦輪葉柵氣熱耦合換熱計算的數值仿真平臺；并進一步深入分析湍流模型、冷卻通道入口湍流特性條件以及換熱系數實驗準則式對氣熱耦合計算結果的影響。最后應用基于邊界元方法(BEM)和有限差分方法(FDM)的氣熱耦合程序建立了氣冷渦輪葉片冷卻結構“全耦

3、合”優(yōu)化設計體系。
　　本文首先對邊界元法進行了深入的理論研究，詳細推導了二維、三維邊界元法求解勢函數問題的控制方程，并建立邊界元法計算固體區(qū)域熱傳導問題的數學模型，編寫了二維、三維邊界元程序。利用解析解和數值解對邊界元程序進行準確性校驗，計算結果表明，邊界元法僅僅計算模型的表面網格單元，使得數值模擬的前處理和求解時間縮短。同時，由于其具備解析與離散相結合的特性，因此計算結果準確、計算精度較高。對三維邊界元程序進行網格適應性研究，

4、研究表明邊界元方法對網格質量的依賴性很小。
　　將邊界元計算方法用于燃氣渦輪葉柵氣熱耦合換熱計算中，搭建起氣熱耦合數值仿真平臺。并應用此氣熱耦合數值仿真平臺數值模擬了 NASA-MarkII渦輪葉柵具有典型流動特點的兩個實驗工況。分析數值模擬結果得出，三維氣熱耦合程序能夠準確模擬不同流動特性的渦輪葉柵內部流動；葉柵內部溫度場計算結果說明，在渦輪葉片表面的流體邊界層內部溫度梯度較大，傳熱過程劇烈，在流體邊界層內部流體由順壓力梯度到逆

5、壓力梯度的過渡區(qū)域，由于葉柵內復雜的流動特點，采用B-L代數模型的三維氣熱耦合程序在預測邊界層局部區(qū)域流體的傳熱特性時存在一定偏差。
　　采用商業(yè)軟件 Fluent和CFX對相同的實驗葉柵進行氣熱耦合計算，著重分析氣熱耦合計算的網格適應性、冷卻通道入口不同湍流特性條件對耦合換熱結果的影響以及不同湍流模型對具有流動分離特性的渦輪葉柵的流動、傳熱及熱應力特性的預測能力。計算結果表明，渦輪葉柵流動特性計算結果對邊界層網格依賴性很小，對網

6、格質量要求不高；而邊界層不同的網格劃分對葉柵內傳熱特性的預測略有差異，其主要影響因素為邊界層網格厚度和流向網格加密程度。對于渦輪葉片冷卻通道、冷卻孔等內部流動，湍流強度完全依賴于上游流動的歷史，冷卻通道的入口湍流特性對通道內流動發(fā)展影響較大，從而冷卻通道進口湍流特性條件能否正確給定對渦輪葉柵耦合換熱計算結果的準確度具有較大影響。CFX提供的考慮轉捩流動特性的k-ω-SST-γ-θ湍流模型能夠準確分辨層流及轉捩狀態(tài)，對邊界層內復雜流動和傳

7、熱過程模擬較為準確，但其不足之處為，k-ω-SST-γ-θ湍流模型過高地估計了轉捩區(qū)域的湍動能而造成轉捩區(qū)的過大估計，從而使得對流換熱系數計算值過大，溫度偏高。而三維氣熱耦合程序采用的修正 B-L代數模型能夠更為準確模擬不存在分離或分離較小的渦輪葉柵熱環(huán)境，計算結果顯示，B-L代數模型除在葉片邊界層轉捩區(qū)域存在一定誤差外，其余位置對渦輪葉柵傳熱特性的預測要強于CFX提供的k-ω-SST-γ-θ湍流模型計算結果。同時，從渦輪葉片熱應力特性

8、分析結果得出，在渦輪葉柵氣熱耦合計算中溫度場預測結果的準確與否對渦輪葉片熱應力結果預測、以至渦輪葉片壽命預估和冷卻結構設計工作至關重要。
　　將換熱系數實驗準則式引入氣冷渦輪葉柵氣熱耦合計算中，在計算過程中考慮了基于氣冷渦輪葉片冷卻通道不同幾何模型和實際工況的修正因子，詳細對比分析渦輪葉片內冷通道的不同換熱系數實驗準則式對耦合計算結果的影響；分析氣冷渦輪葉片內冷通道采用、不采用換熱系數實驗準則式對氣熱耦合計算結果的影響以及對不同湍

9、流模型預測葉柵流動、傳熱過程準確程度的影響。計算結果表明，氣冷渦輪葉柵氣熱耦合計算中，渦輪葉片冷卻通道、冷卻孔等位置采用修正的對流換熱系數實驗準則式可以得到準確的葉柵流場及葉片溫度場分布。換熱系數實驗準則式的采用繞開了湍流模型對冷卻通道流體區(qū)域的求解過程，使得湍流模型能夠專一求解葉柵主流燃氣區(qū)域流動和傳熱過程，從而能夠更為準確分析不同湍流模型對葉柵主流區(qū)域流動、傳熱特性的計算能力。同時避免了湍流模型計算多區(qū)域流場時求解誤差的疊加，并且節(jié)

10、省計算時間。
　　將三維氣熱耦合程序作為氣冷渦輪葉柵數值模擬的主程序，建立了氣冷渦輪葉片冷卻結構“全耦合”優(yōu)化設計體系。對NASA-MarkII渦輪葉柵10個徑向冷卻通道進行優(yōu)化，在優(yōu)化過程中將冷卻通道孔徑、冷卻通道空間位置和流經冷卻通道的冷氣流量作為設計變量進行參數控制，并且對冷卻通道孔徑和位置進行必要的約束。優(yōu)化目標函數包括渦輪葉片溫度最大值、溫度平均值以及冷卻孔冷氣流量。優(yōu)化中通過加權求和的方法將多目標函數轉化為單目標函數，

11、尋求渦輪葉片冷卻結構的最優(yōu)解。得益于氣熱耦合程序中求解固體區(qū)域熱傳導問題的邊界元程序模塊，使得渦輪葉片冷卻結構“全耦合”優(yōu)化計算時間縮短，工作量減少。在優(yōu)化過程中，邊界元方法省去了固體區(qū)域網格重復生成、重復計算的過程，避免了固體區(qū)域網格與流體區(qū)域網格的插值誤差，從而提高優(yōu)化效率和問題求解的計算精度。優(yōu)化結果表明，冷卻通道位置以及冷卻通道孔徑的優(yōu)化，使得葉片區(qū)域溫度最大值降低；優(yōu)化后冷氣流量的減少，使得葉片區(qū)域平均溫度略有提高，但提高幅度