在涡轮增压柴油机模拟计算中MPC边界的处理方法研究

本文介绍一种在用特征线法计算排气管内压力波时,模件式脉冲转换器(简称MPC)边界的计算模型。该模型考虑了排气支管内气体与管壁间的传热、摩擦,管段的变截面、弯曲、非圆截面等因素,同时将弯管损失系数折合成摩擦系数。变截面支管与总管连接处的边界按普通三分支边界处理,但根据MPC结构的特点,压力损失系数不再选用固定不变的常数,而是采用经过修正的稳流试验下得到的经验公式,在这些经验公式中,压力损失系数不仅与相连的各管段间的流速比有关,同时还和支管与总管间的夹角,各管段间的截面比等因素有关。这样处理不仅计算简单,而且能较好地反映排气管内的压力波动情况。此计算模型的合理性和可靠性已被在6135ZD柴油机上获得的试验结果所证实。     

MPC排气管系统结构参数优化方法探讨

本文通过对MPC内气体流动损失原因的分析,选取了支管与总管间的夹角α、支管截面收缩比φ、总管直径D以及支管曲率半径R作为MPC的主要结构参数。在不同结构方案装于6135ZD柴油机上的试验结果的基础上,利用经过试验验证的专门模拟MPC系统的计算程序,对α、φ、D、R单独对排气能量利用率及柴油机主要性能参数的影响进行了计算分析,并提出了它们的设计原则,从而可为进行MPC排气管系统的最优设计提供参考。     

斜三通的CFD数值模拟及传热影响因素研究

为研究斜三通管内流体的流动与传热过程,应用CFD软件Fluent分别对管间夹角θ为20°～90°、流速比λ为2～3.5以及支管位置l为500～1 000 mm的斜三通内流体的流动与传热过程进行了数值模拟,并通过正交试验设计对影响三通壁面平均换热系数的各参数进行了敏感性分析。结果表明,随着θ和λ的增大,三通出口处流体最大速度逐渐增大,其中λ的影响更为显著;壁面平均换热系数随θ和λ的增大而增大,随l的减小而增大;支管位置l主要影响壁面平均换热系数,对最大速度的影响可忽略不计。按照影响壁面平均换热系数作用的强弱,支管位置l>流速比λ>管间夹角θ,即支管越靠近主管进口、流速比越大、管间夹角越大,则壁面换热效果越好。因此,支管位置是影响斜三通壁面传热效果的首要因素。     

工业汽轮机补汽结构对压力损失的影响及优化

为改进工业汽轮机补汽结构的性能,应用ANSYS-CFX软件、以SST-RM湍流模型对流体混合产生的总压损失进行了详细研究,分析了结构参数对总压损失的影响,得出在不同流量比下,支流以60°夹角进入主流,或者过渡段为圆角时,T型通道具有较低的总压损失。在此基础上,优化设计了一种截面为椭圆形且沿周向截面面积渐缩的补汽结构,优化后的补汽结构能够有效控制补汽沿周向的密流分布及混合蒸汽的流动方向,由此提高了整机性能。研究结果表明:补汽流动方向与主流方向的夹角对流场有较大影响,优化结构的总压损失系数在各工况下至少降低30%;截面形状与截面面积变化对补汽的周向扩散有较大影响,截面为椭圆形且截面面积沿周向渐缩时补汽结构能够提高密流周向分布的均匀度;采用混合总压损失系数和标准偏差能够有效评估补汽性能。     

横向间距和截面形状对汽轮机切向进气蜗壳气动性能的影响

为了降低蜗壳总压损失并提高出口气流均匀性,对影响切向进汽蜗壳的气动特性和流场形态的因素进行了研究。采用数值方法求解了三维RANS方程和SST湍流模型,分析了横向间距和截面形状对汽轮机切向进气蜗壳气动性能的影响。数值模拟得到的部分切向进气蜗壳的质量流量和出口马赫数与实验测量数据一致,验证了数值方法的可靠性。对比分析了不同进口总压下5种切向进气蜗壳耦合静叶结构的气动性能参数和流场型态,结果表明:5种进气蜗壳耦合静叶结构的出口气流角基本不随进气总压的增加而改变;5种进气蜗壳耦合静叶结构的总压损失系数和质量流量会随着进气总压的增加而增加;进气蜗壳出口气流角随着横向间距的增加而增加,圆特征截面进气蜗壳出口气流角大于类多边形特征截面进气蜗壳的;随着横向间距的增加,5种进气蜗壳耦合静叶结构的蜗壳总压损失系数增加,静叶总压损失系数减小,进气蜗壳耦合静叶结构的总压损失系数先减小后增加;进气蜗壳截面形状对总压损失系数的影响明显大于横向间距的,类多边形特征截面蜗壳的总压损失系数明显大于圆特征截面蜗壳的;静叶出口气流角几乎不受横向间距和特征截面的影响;圆特征截面切向进气蜗壳耦合静叶结构具有最低的总压损失系数,圆特征截面完全切向进气蜗壳耦合静叶结构在蜗壳出口具有最佳的出口气流角周向分布均匀性。     

三通道旋流冷却流动与传热性能

针对雷诺数为40 000下涡轮叶片内部三通道旋流冷却结构进行瞬态热色液晶实验与数值模拟研究,并与普通转折通道进行比较分析.通过瞬态实验获得壁面高精度的努塞尔数分布与通道的沿程压力损失,结合数值计算结果得到如下结论:旋流通道显著增强了系统的换热能力与换热均匀性,第2、第3流程的壁面平均努塞尔数比普通转折通道分别提升了60%、57%;转折位置的冲击损失与节流损失是三通道结构的主要压力损失;旋流通道的全通道压力系数约为普通转折通道的3倍,且随着雷诺数的增大有增大的趋势;数值计算显示旋流通道内总压损失比静压损失减少了25%,使用总压分析沿程压力系数更为合理.     

支板对燃气轮机排气蜗壳性能影响的数值研究

在进行燃气轮机排气蜗壳风洞实验时,为提高排气蜗壳的稳定性及安全性,通常在其进口前端引入支板来支撑壳体.通过数值仿真软件ANSYS CFX对引入支板结构前后的两种流场进行数值研究,分析不同截面总压损失系数及流线分布规律,获得两种流动特性的对比结果.结果表明,在蜗壳进口前增设支板结构对排气蜗壳气动性能无显著影响,可通过实验获得排气蜗壳相应气动性能参数.     

预旋对燃气涡轮排气蜗壳气动性能影响的数值研究

采用数值求解三维RANS和Realizable k-ε湍流模型的方法对排气蜗壳进行计算,探究燃气涡轮末级叶片造成的进气预旋对排气蜗壳气动性能的影响。数值模拟的排气蜗壳静压恢复系数与实验数据吻合良好。文中研究模型的导叶轴向位置固定,通过改变导叶的偏转角获得排气蜗壳测量段不同的进气预旋,进而研究了7种进气预旋和6种进气流量下,支撑板与导叶在两种不同轴向间距下的排气蜗壳气动性能和流场特性。研究结果表明:在进气预旋为0.354 9时,排气涡壳的静压恢复系数达到最大值,这是进出口动压差和总压损失随进气预旋变化的综合结果;超过该进气预旋后,静压恢复系数迅速下降,这是由于此时在支撑板附近产生严重流动分离,总压损失急剧增加所导致;增加支撑板与导叶之间的轴向间距,在预旋小于0.354 9的工况下能够提高排气蜗壳的静压恢复系数,在预旋大于0.233 8的工况下能够减弱尾缘附近涡系结构,从而减小排气蜗壳的总压损失系数,但也会由于支撑板尾缘到出口距离缩短导致流动发展不充分,从而减弱排气蜗壳出口截面的流场均匀性;支撑板与导叶在两种轴向间距下,总压损失系数均随进气流量的增加呈现降低的趋势。研究工作可为燃气涡轮排气蜗壳设计提供参考。     

多分支管道若干流动特性研究

通过数值计算对多分支管道的若干流动特性进行研究,在拼片式块结构化网格系统下。采用κ-ε紊流模型对多分支管道中的流场进行二维计算,发现对于具有相同尺寸、相同几何型式的多分支管道而言,支管距主管入口端的位置越靠前,通过该支管的流量越小．结合计算结果与实验结果认为,流线弯曲程度对流动的影响是产生这种流量分布趋势的原因。在其他条件不变的情况下,支管流量与主管入口流量近似呈线性关系,支管间的流量差随主管入口流量的增大而增大,随支管间距的增大而减小。     

渐变截面型入料口夹角对旋流器流场及压降的影响

利用RSM雷诺应力模型和VOF多相流模型,通过数值试验方法考察了渐变截面型入料口夹角对Φ50 mm水力旋流器流场及压降的影响.结果表明,增大入料口夹角,切向速度增加,致使分离效率提高;与此同时,轴向速度和溢流管底端的最大径向速度也随之相应增加,导致沉砂分流比略有降低、短路流量增加,但对湍流结构影响不明显;空气柱直径同样随着夹角的增加而增大,从而有效分选空间减小.旋流器内部的压力损失主要包括主分离区域的损失和入料口区域的损失;增大入料口夹角,总压降增加,导流能力增强,当夹角为20°时,导流性能最优,但能量利用率降低.     

不同动量比对T型管冷热流体掺混及管道热疲劳的影响

为探究主支管流体不同动量比对T型管道内冷热流体掺混过程及管道热疲劳程度的影响，通过对T型管内不同主支管流体动量比工况下冷热流体的掺混过程进行大涡模拟（LES），计算得到管道壁面及管道内流体的温度波动情况，并使用同一套T型管网格模型进行了流固耦合计算，得到了动量比对T型管道热应力及热疲劳寿命的影响规律。计算结果表明，当动量比变化使得T型管内流体的搅混流型发生变化时，动量比对管道热疲劳的影响明显，其中，搅混流型为偏转流时，管道的热疲劳现象相较于搅混流型为壁面流的热疲劳现象得到明显的改善，预测热疲劳寿命从8.81×10^-4年提高到5.40×10¹⁵年。因此，随着主支管流体动量比的降低，流体搅混流型从壁面流转变为偏转流，管道的热疲劳寿命得到明显提高。     

轮廓度与扭转角偏差对压气机气动性能的影响

压气机叶片实际加工过程中,会出现叶片轮廓度、扭转角等加工超差,对压气机气动性能产生影响。采用S1流面计算和三维数值计算的方法分别研究了轮廓度及扭转角偏差对亚音速压气机气动性能的影响,计算结果表明:轮廓度增大,叶型最小损失值增大;堵点流量逐渐降低,轮廓度为0. 08 mm时,堵点流量减小了1%;峰值效率逐渐降低,但降低幅度较小。扭转角偏差对性能的影响来自于前缘偏转对进口喉道面积与尾缘偏转对叶片出口气流角的改变;扭转角偏差对叶型最小损失值影响不大,±0. 35°扭转角偏差范围对叶片的低损失攻角范围影响较小;扭转角向前缘打开方向增大,流量-压比特性线向右上方平移;扭转角向前缘关闭方向增大,流量-压比特性线向左下方平移;扭转角偏差0. 35°,最大流量减小了0. 67%;扭转角偏差对峰值效率点的影响微弱。     

分区分级双P型辐射管喷口结构位置特性

为了对分区分级双P型燃气辐射管喷口结构、位置进行优化,提高燃烧效率.首先对分区分级双P型燃气辐射管进行了实验和数值研究,结果发现,除NOx体积分数的误差为11.6%外,其他参数的偏差都在1%以内,证明该模型具有可靠性.在此基础上,通过研究主管和支管的喷口位置及喷口结构等参数,进行了气体温度和壁面温度的研究分析.结果显示:随着主管喷口位置向外移动,分区分级燃气辐射管表面温度的最高值逐渐减小,壁面温度的最低值逐渐增大.支管喷口位于三通管与支管交线处时,可以减少高温气体对辐射管管壁的冲击作用,提高支管径向的温度均匀性,延长辐射管使用寿命;主管喷口的形式为完全预混式喷口时,壁面温差最小;支管喷口的形式为不对称式时,分区分级燃气辐射管壁面温差最小,燃烧热效率最高.     

低浓度多相流管道冲蚀磨损数值模拟

液固多相流冲蚀磨损会严重影响管道的使用寿命。以某输油管线设计为研究对象,运用Fluent软件中的Mixture-DPM双向耦合模型研究低浓度颗粒的油水多相流管道流场变化,分析集输管线整体冲蚀速率分布,得到了不同管件冲蚀磨损较严重的区域。为了进一步研究冲蚀磨损的影响因素,选取3种不同的入口流速及原油含水率进行综合对比分析,结果表明：不同管件的冲蚀磨损区域各不相同;90°弯管磨损区域主要集中在外拱壁面,三通管磨损区域主要位于下支管右壁面,渐缩管磨损区域主要位于喉部区域及出口处,盲三通在盲端1/3处形成小型旋涡,且磨损区域主要位于盲端与下支管相贯线区域以及下支管右壁面处;冲蚀速率随入口流速的增加呈指数型增长,指数系数为1.89;随原油含水率增加,冲蚀速率呈倒"U"形变化,当含水率为20%时,冲蚀速率达到最大值。     

大变压器线圈典型油道分流合流阻力特性

本文以25~＃变压器油为工作介质,对狭缝状直角三通进行了阻力特性的实验研究,按分流合流的四种模态,在流量比依次为1,2,3,4和5,通道截面比依次为1,1.2,1.4,1.6,1.8和2的条件下,按各种组合进行了实验,并就此进行分析讨论,导出了各种模态下的经验公式.     

引气风斗流动特性数值模拟研究

引气风斗是航空发动机高压涡轮主动间隙控制系统中的重要零件,其流动特性将对发动机性能产生影响,为此采用数值模拟方法对引气风斗流动特征和损失机理进行研究。结果表明：在进口马赫数0.46工况下,主流的流动先减速后变化平稳;气流在引气风斗第一转弯处上、下壁面附近出现流动分离,并诱发对涡的形成,导致出口截面流场的不均匀性;引气风斗壁面型线曲率及截面积的变化对引气管道内流场结构影响显著,下壁面第一转弯处的剧烈偏转是引起流动分离及损失的主要来源,出口截面总压恢复系数按质量平均为0.967。     

四支管钢板控冷结构喷嘴管出口流量均匀性

利用有限元耦合场数值模拟计算方法,对钢板控冷设备中四支管结构管路的流场进行了三维稳态数值模拟,分析了喷嘴管直径、喷嘴管高度、支管直径以及入口管进水流速等参数对各喷嘴管出口流量均匀性的影响. 模拟结果表明:喷嘴管直径、支管直径、入口管进水流速对各喷嘴管出口流量均匀性影响较大,而喷嘴管高度对各喷嘴管出口流量均匀性影响较小.     

大口径无缝钢管淬火冷却均匀性影响因素

根据目前无缝钢管常用的外表面常压管射流与内表面轴向喷射冷却方式,采用有限元分析软件ANSYS对大口径钢管淬火过程温度场进行数值模拟.分析了钢管的管径、钢管的旋转速度及内喷射冷却介质——水的浸润角对钢管径向冷却均匀的影响.结果表明:在大管径条件下,管径对冷却均匀影响不大;钢管的旋转速度不低于60 r.min-1,水的浸润角为270°左右时,钢管径向冷却均匀较好.     

存气水平管道分层流动阻力分析与实验研究

对存气水平管道的水头损失进行研究．推导了存气水平管道分层流动的压降计算式,在有机玻璃水平管中进行了相关实验,提出了存气管道分层流动水头损失与满管流水头损失的比值关系．研究表明：存气水平管道压降计算式的计算值与实验值较好吻合;相同流速下,随着气体积聚量的增加,水头损失先略微下降后逐步升高;水平管道气体积聚量与水流流速相关,随着流速增大,积聚量减少;液相折算流速、管道直径对存气管道分层流动水头损失与满管流水头损失的比值影响不大,其比值趋于同一曲线．