本文關(guān)鍵詞：對轉(zhuǎn)渦輪盤腔內(nèi)的流動和換熱特性研究

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【摘要】：對轉(zhuǎn)渦輪是高壓級渦輪轉(zhuǎn)子和低壓級渦輪轉(zhuǎn)子反向旋轉(zhuǎn)的渦輪結(jié)構(gòu)。在航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動機中采用對轉(zhuǎn)渦輪結(jié)構(gòu),一方面可以使飛機做機動飛行時作用于轉(zhuǎn)子上的陀螺力矩得到很大程度上的抵消,進(jìn)而減小傳到飛機機身上的力矩；另一方面,相對于常規(guī)渦輪,對轉(zhuǎn)渦輪的低壓導(dǎo)葉折轉(zhuǎn)角和稠度減小,因而提高了發(fā)動機整體的氣動效率。對轉(zhuǎn)渦輪已成為高性能燃?xì)鉁u輪技術(shù)發(fā)展的前沿研究方向之一。與傳統(tǒng)同向旋轉(zhuǎn)渦輪結(jié)構(gòu)相比,對轉(zhuǎn)渦輪盤間形成的對轉(zhuǎn)盤腔是一種新型的旋轉(zhuǎn)盤腔結(jié)構(gòu),相對旋轉(zhuǎn)所誘導(dǎo)的盤腔內(nèi)部流動、換熱特征還有待揭示。本文采用實驗與數(shù)值計算相結(jié)合的研究方法,研究了對轉(zhuǎn)渦輪盤腔內(nèi)各個參數(shù)變化對對轉(zhuǎn)渦輪盤腔內(nèi)的流動和換熱特性的影響。研究結(jié)果為分析發(fā)動機在不同工作狀態(tài)下的熱端部件工作狀況,監(jiān)控發(fā)動機性能,保證發(fā)動機可靠安全提供了重要的理論依據(jù)。本文主要內(nèi)容為：(1)設(shè)計、建設(shè)了對轉(zhuǎn)渦輪盤腔壁面溫度測量實驗臺。(2)實驗研究了中心軸向進(jìn)氣的對轉(zhuǎn)渦輪盤腔的進(jìn)氣量和轉(zhuǎn)速變化對下游盤壁面溫度的影響。實驗結(jié)果表明：進(jìn)氣量越大,下游盤壁面溫度越低,換熱效果越好；下游盤轉(zhuǎn)速越大,下游盤壁面換熱效果越好。(3)建立了描述旋轉(zhuǎn)盤腔內(nèi)流動和換熱特性的物理模型和數(shù)學(xué)模型,并與文獻(xiàn)中的實驗數(shù)據(jù)對比,驗證了數(shù)值計算方法的準(zhǔn)確性。比較了不同湍流模型的計算結(jié)果,選取合適的湍流模型。(4)數(shù)值研究了封閉對轉(zhuǎn)盤腔內(nèi)流動結(jié)構(gòu)特點,結(jié)果表明,封閉同速對轉(zhuǎn)盤腔內(nèi)流動結(jié)構(gòu)為Stewartson型流動結(jié)構(gòu)。(5)數(shù)值模擬了軸向中心進(jìn)氣的對轉(zhuǎn)盤腔內(nèi)的流動和換熱特點,分析了盤腔間隙、進(jìn)氣流量、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)速比對對轉(zhuǎn)盤腔內(nèi)的壓力分布、摩擦力矩和對流換熱效果的影響。研究結(jié)果表明：1)盤腔間隙越大,盤腔中心空氣靜壓越小,盤腔內(nèi)空氣靜壓梯度也越��；兩盤壁面摩擦力矩隨盤腔間隙的變化不明顯,兩盤徑向溫度梯度變化也不明顯。盤腔間隙越大,上游盤壁面平均努賽爾數(shù)越大,而下游盤壁面平均努賽爾數(shù)變化不大。2)進(jìn)氣流量越大,漩渦耗散損失使腔內(nèi)的負(fù)壓越大,兩盤壁面摩擦力矩絕對值也越大；進(jìn)氣流量越大,壁面徑向溫度梯度減小,兩盤壁面換熱效果都有增強,下游盤壁面換熱效果比上游盤壁面換熱效果明顯的多。3)轉(zhuǎn)速增大,盤腔外緣正壓區(qū)增大,且壓力和靜壓梯度越大。轉(zhuǎn)盤壁面摩擦力矩M的絕對值隨轉(zhuǎn)速增大而增大：上游盤徑向溫度梯度隨轉(zhuǎn)速的變化不明顯；壁面平均努賽爾數(shù)隨轉(zhuǎn)速增大而減�。幌掠伪P徑向溫度梯度隨轉(zhuǎn)速的增大而減小,壁面平均努賽爾數(shù)增大。4)轉(zhuǎn)速比Γ-1時,下游盤轉(zhuǎn)速不變,通過增大上游盤轉(zhuǎn)速增大轉(zhuǎn)速比絕對值。結(jié)果是：外緣區(qū)域正壓越大；上游盤壁面摩擦力矩絕對值隨之增大,而下游盤摩擦力矩不變；壁面徑向溫度梯度變化不明顯；上、下游盤平均努賽爾數(shù)減小。5)-1r0時,上游盤轉(zhuǎn)速不變,通過增大下游盤轉(zhuǎn)速絕對值減小轉(zhuǎn)速比絕對值。結(jié)果是：外緣區(qū)域正壓越大；下游盤壁面摩擦力矩隨之增大,而上游盤壁面摩擦力矩不變；下游盤壁面徑向溫度梯度減小。上、下游盤壁面平均努賽爾數(shù)增大。
【關(guān)鍵詞】：對轉(zhuǎn)渦輪盤腔 流動 換熱 數(shù)值模擬
【學(xué)位授予單位】：中國民用航空飛行學(xué)院
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：V231
【目錄】：

• 摘要6-8
• Abstract8-18
• 第一章 緒論18-31
• 1.1 引言18-22
• 1.2 國外的研究現(xiàn)狀22-26
• 1.2.1 自由盤22-23
• 1.2.2 轉(zhuǎn)-靜盤腔23-24
• 1.2.3 轉(zhuǎn)-轉(zhuǎn)盤腔24-25
• 1.2.4 帶預(yù)旋進(jìn)氣的盤腔25-26
• 1.2.5 其他盤腔技術(shù)的研究26
• 1.3 國內(nèi)的研究現(xiàn)狀26-28
• 1.4 國內(nèi)外的發(fā)展動態(tài)28
• 1.5 本文的研究背景、內(nèi)容及意義28-31
• 1.5.1 研究背景28-29
• 1.5.2 研究內(nèi)容29-30
• 1.5.3 研究意義30-31
• 第二章 對轉(zhuǎn)渦輪盤腔壁面溫度測量實驗臺的設(shè)計31-45
• 2.1 引言31
• 2.2 盤腔本體的設(shè)計31-33
• 2.2.1 簡化的渦輪盤32
• 2.2.2 加熱電阻絲的選取及安裝32-33
• 2.2.3 圍屏33
• 2.3 測溫系統(tǒng)的設(shè)計33-36
• 2.3.1 測溫傳感器的選取33
• 2.3.2 無線溫度采集模塊選取及實驗驗證33-35
• 2.3.3 測溫傳感器的排布及溫度采集模塊的安裝35-36
• 2.4 動力系統(tǒng)和輸氣系統(tǒng)的選型36
• 2.4.1 動力系統(tǒng)36
• 2.4.2 輸氣系統(tǒng)36
• 2.5 傳動系統(tǒng)的設(shè)計36-44
• 2.5.1 軸徑的計算37-39
• 2.5.2 聯(lián)軸器的選擇39
• 2.5.3 齒輪的設(shè)計及校核39-41
• 2.5.4 軸承的選型及校核41-43
• 2.5.5 軸的校核43-44
• 2.6 其他實驗設(shè)備44
• 2.7 本章小結(jié)44-45
• 第三章 數(shù)值計算方法45-56
• 3.1 引言45
• 3.2 物理模型45-46
• 3.3 控制方程46-47
• 3.4 湍流模型47-48
• 3.5 近壁面處理48-50
• 3.6 方程的求解50
• 3.7 網(wǎng)格劃分50-51
• 3.8 邊界條件51-52
• 3.9 數(shù)值計算的收斂標(biāo)準(zhǔn)52
• 3.10 數(shù)值計算方法的驗證52-55
• 3.10.1 用于驗證數(shù)值計算方法的物理模型52
• 3.10.2 計算結(jié)果與文獻(xiàn)中的實驗結(jié)果對比分析52-55
• 3.11 本章小結(jié)55-56
• 第四章 對轉(zhuǎn)渦輪盤腔壁面換熱實驗研究56-61
• 4.1 引言56
• 4.2 實驗數(shù)據(jù)處理方法56
• 4.3 實驗工況56
• 4.4 實驗結(jié)果及分析56-60
• 4.4.1 中心軸向進(jìn)氣流量的變化對下游盤壁面溫度的影響56-57
• 4.4.2 轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)速度變化對下游盤壁面溫度的影響57-58
• 4.4.3 各工況實驗結(jié)果與數(shù)值模擬計算結(jié)果的比較58-60
• 4.5 本章小結(jié)60-61
• 第五章 對轉(zhuǎn)渦輪盤腔內(nèi)流動和換熱特性的數(shù)值模擬研究61-94
• 5.1 引言61
• 5.2 封閉對轉(zhuǎn)盤腔內(nèi)的流動結(jié)構(gòu)特性61-63
• 5.3 盤腔間隙的變化對軸向射流對轉(zhuǎn)盤腔內(nèi)流動和換熱特性的影響63-70
• 5.3.1 計算工況及模型說明63
• 5.3.2 盤腔間隙的變化對盤腔內(nèi)的流動特性及壓力分布的影響63-66
• 5.3.3 盤腔間隙的變化對兩盤壁面摩擦力矩的影響66-67
• 5.3.4 盤腔間隙的變化對兩盤壁面溫度的影響67-68
• 5.3.5 盤腔間隙的變化對兩盤壁面平均努賽爾數(shù)的影響68-70
• 5.4 中心軸向進(jìn)氣量的變化對盤腔內(nèi)流動和換熱特性的影響70-75
• 5.4.1 計算工況說明70
• 5.4.2 中心軸向進(jìn)氣量的變化對盤腔內(nèi)流動特性及壓力分布的影響70-72
• 5.4.3 中心軸向進(jìn)氣量的變化對兩盤壁面摩擦力矩的影響72-73
• 5.4.4 中心軸向進(jìn)氣量的變化對兩盤壁面溫度的影響73-74
• 5.4.5 中心軸向進(jìn)氣量的變化對兩盤壁面平均努賽爾數(shù)的影響74-75
• 5.5 兩盤轉(zhuǎn)速比的變化對盤腔內(nèi)流動和換熱特性的影響75-92
• 5.5.1 計算工況說明75-76
• 5.5.2 兩盤轉(zhuǎn)速變化對盤腔內(nèi)流動特性及壓力分布的影響76-78
• 5.5.3 兩盤轉(zhuǎn)速比的變化對盤腔內(nèi)流動特性及壓力分布的影響78-81
• 5.5.4 兩盤轉(zhuǎn)速變化對兩盤壁面摩擦力矩的影響81-82
• 5.5.5 兩盤轉(zhuǎn)速比變化對兩盤壁面摩擦力矩的影響82-83
• 5.5.6 兩盤轉(zhuǎn)速的變化對兩盤壁面溫度的影響83-85
• 5.5.7 兩盤轉(zhuǎn)速比變化對兩盤壁面溫度的影響85-88
• 5.5.8 兩盤轉(zhuǎn)速的變化對兩盤壁面平均努賽爾數(shù)的影響88-89
• 5.5.9 兩盤轉(zhuǎn)速比的變化對兩盤壁面平均努賽爾數(shù)的影響89-92
• 5.6 本章小結(jié)92-94
• 第六章 結(jié)論與展望94-96
• 6.1 本文結(jié)論94-95
• 6.2 工作展望95-96
• 參考文獻(xiàn)96-100
• 攻讀碩士期間取得的研究成果100-101
• 致謝101

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