低压涡轮叶栅流动中转捩模型的校验及改进

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJuJ．252013V01．34No．71548—1562ISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：#hkxb．buaaedu．Oilhkxb@buaaedu．cn低压涡轮叶栅流动中转捩模型的校验及改进罗天培，柳阳威*，陆利蓬北京航空航天大学能源与动力工程学院航空发动机气动热力国家级重点实验室，北京100191摘要：为评估并提高现有转捩模型的预测精度，采用计算流体力学(CFD)软件FLUENT12．1，选取层流模型、全湍流模型、剪切应力输运(SST)低雷诺数模型、k-kl—m模型以

2、及)'-Re。模型对低压涡轮叶栅T106EIZ进行数值模拟，通过与实验数据的对比校验了后3种模型对于转捩以及相关参数的模拟能力，并对结果以及模型的作用机理进行分析，校验结果表明所有模型都不能准确地预测分离流转捩以及尾迹诱导转捩。选取预测效果较好的，LRe。模型进行了修正，提出通过修改间歇因子输运方程中的参数％和嘞的方法来修正该模型，结果表明该方法可以提高模拟精度。关键词：转捩模型；?'-ReF模型；修正；T106一EIZ；低压涡轮叶栅中图分类号：V211．3文献标识码：A文章编号：1000一6893(2013)07—1548—15层流与湍流的动量和能量的交换能力有量级上的差

3、别，转捩对摩擦阻力、热交换、流动分离位置以及边界层的增长率等都有很大的影响，正确预测转捩现象在航空航天等领域具有非常大的实际意义。当飞行器的飞行高度达到20km时，雷诺数与地面相比将降低一个数量级[1]，低压涡轮部件的工作雷诺数将低于自模化雷诺数。雷诺数的下降使叶片表面边界层的层流区域逐渐增大，而层流边界层在逆压梯度作用下更容易发生分离，这种大面积的流动分离使得叶型损失急剧增加，进而发动机的效率下降、耗油率上升。正确地预测转捩的发生以及转捩区的长度是目前飞行器设计中最为关键的技术之一。已有大量学者致力于这方面的研究，目前发展起来的预测方法有eN方法，直接数值模拟(DNS)和

4、大涡模拟(LES)方法以及雷诺平均Navier—Stokes(RANS)方法。eN方法基于线性稳定性理论，这种方法不适合预测旁路转捩等非线性影响起主导作用的转捩；DNS和LES方法由于其巨大的计算量以及海量的瞬时数据，也难以推广到实际工程中去；而RANS方法预测转捩过程目前是工程上唯一可行的方法。RANS方法不关注转捩过程中的扰动传播以及涡运动等，而是试图反映出转捩过程对宏观量的影响。现已开发出许多基于RANS的转捩模型，这些模型大致可以分为3类：第1类是低雷诺数湍流模型，它利用阻尼函数的近壁效应模拟出了类似转捩的现象，这类模型的代表包括Jone和Launder的肛￡模型[

5、21(1973)，Launder和Sharma的LS模型[31(1974)等；第2类是耦合湍流模型与经验关联式n_8]，经验关联式法通常关联动量厚度雷诺数与自由流湍流度和当地压力梯度，得出的经验关联式基于大量的实验结果；第3收稿日期：2012—07—31；退修日期：2012—08—26；录用Et期：2012—11-09；网络出版时间：2012—11—2316：52网络出版地址：WWW，cnkinet／kcms／detail／111929．V．20121123．1652．001．hlmI基金项目：国家自然科学基金(51006006，51136003)；国家重点基础研究发展计划

6、(201208720205)；航空科学基金(2012ZB51014)*通讯作者Tel：010-82316455E—mail：liuyangwei@buaaedu．CR}

7、用格武sLuoTP，LmYW，LuLPTransitionmodelassessmentandmodificationinlow-pressureturbinecascade．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2013．34(7)：1548—1562．罗天培，柳阳威，陆翻蓬．低压涡轮叶栅流动中转捩模型的校验及改进航空学报，2013，34(7)：1548一{562．罗天培

8、等：低压涡轮叶栅流动中转捩模型的校验及改进类是耦合湍流模型与新的输运方程或新的输运项，用新的输运方程或输运项去刻画转捩过程特定的物理本质[9。11

9、。这些转捩模型都在一定程度上取得了成功，但在具体选用时仍然缺乏统一的标准和依据，并且在预测精度上还有待进一步提高。采用FLUENT软件，在低压涡轮叶栅T106一EIZ上校验了4种常用转捩模型的模拟能力。选取预测效果较好的y-Re。模型进行了修正，提出了修改间歇因子输运方程中的参数C。，和C。。的改进方法。1数值方法本文所用算例的对比实验是由德国慕尼黑联邦国防军大学的喷气