涡轮叶栅通道内颗粒物沉积过程的数值模拟.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnauticaSinicaMay252017V01．38No5SSN1000-6893CN11—1929／Vhttp：／／hkxb．buaaedu．cnhkxb@buaa．edu．crl涡轮叶栅通道内颗粒物沉积过程的数值模拟杨晓军1’2一，祝佳雄21．中国民航大学航空工程学院，天津3003002．中国民航大学中欧航空工程师学院，天津300300摘要：为了更加准确获得颗粒物在涡轮中的沉积分布，以某涡轮叶片为模型，选用最接近航空发动机内部颗粒组成的JimBridgerPowerStation(JBPS)颗粒为污染物，同时，利用C

2、+4-编写合适的UserDefinedFunction(UDF)经过调试来分析颗粒沉积后叶片边界的复杂变形和边界网格依赖于时间变化的重构生成，在考虑每个时间步长颗粒沉积在叶片上从而改变叶片几何特性和换热特性的情况下，来深入研究颗粒物沉积在叶片的整个过程，最终得出了沉积的分布情况，并且通过数值研究结果与实验结果的对比，验证了网格重构与融合程序的合理性、准确性。根据叶片变形情况预测腐蚀的发生情况。随后，改变主流温度、颗粒直径来研究颗粒沉积特性。结果表明：颗粒主要沉积在叶片压力面中部，但会使得叶片前缘和压力面中部均产生明显变形；叶片前缘由于颗粒沉积使得粗糙度增加形成锯齿形，最先遭受

3、腐蚀；颗粒直径影响颗粒沉积的分布与沉积生长速度；只影响沉积速度，并不改变沉积分布。关键词：沉积；变形；UDF；腐蚀；涡轮叶片；粒径；数值模拟中图分类号：V231．1文献标识码：A文章编号：1000—6893(2017)05—120530—12随着燃气轮机在能源供应上的提高以及天然气资源陆续被耗尽，寻找替代燃料开始变得非常重要。然而，替代燃料含有微量的煤灰和其他杂质。这些杂质会沉积在叶片和涡轮表面从而影响它们的热交换特性，并且会降低气膜冷却的效率。同时伴随着世界工业化的进步，相当多的地区包含了更多杂质颗粒，从而引发严重的安全以及性能问题。因此，颗粒物在航空发动机内部的沉积以及由

4、此带来的发动机性能的损失相关问题和所引发的环境问题[11已经成为国际上高度重视的一个研究课题[2。5]。为了提高涡轮的工作效率，预测涡轮叶片的寿命，也为了优化叶片的设计，必须深入研究叶片表面的换热特性，在众多影响叶片换热特性的因素当中，颗粒的沉积是唯一随着叶片工作时间的增长而对叶片换热影响愈加重要的关键因素，这是因为颗粒的沉积主要影响叶片表面的粗糙度，甚至会造成对叶片的热腐蚀，因此研究颗粒沉积过程对于叶片设计与维护都有重要的意义[6]。颗粒沉积与其影响在国外研究得非常早。在沉积机理的研究方面，David和Karen[71进行实验研究发现，熔融程度不同的粒子沉积对于冷却效果的影

5、响可以忽略。Wright等[8]发现颗粒很有可能通过相互碰撞或者撞击叶片而重新分配并且沉积在叶片上。同时，Wright通过实验证明了处于端壁处的前缘气膜冷却区域更易吸引颗粒沉收稿日期：2016．06—14；退修日期：2016—07—18；录用日期：2016—08—15；网络出版时间：2016—12-2115：20网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／111929．V．20161221．1520．004hlmI基金项目：国家自然科学基金委员会与中国民用航空局联合资助项目(U1633113)；天津市应用基础与前沿技术研究计划(14JCQNJc06800)；

6、中央高校基本科研业务费(ZXH2012H004)*通讯作者．E—mail：xiaojunyoung@hotmail．com引臻格式t杨晓军，祝佳雄涡轮叶栅通道内颗粒物沉积过程的数值模拟￡J]．航空学报．2017，38(5)：120530．YANGXJ，ZHUJX．NumericalsimulationofparticledepositionprocessinsideturbhTecascade[-jg．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2017，38(5)：120530．120530．1航空学报积。对于颗粒黏附的主要影响因素的实验研究方面

7、，David和Kaven[7]主要研究了冷却孔的结构对于粒子沉积带来影响的抵御作用。根据实验结果，槽式孔可以有效地降低由于颗粒沉积而损失的冷却效率。同时，他们通过对前缘气膜冷却与端壁冷却进行实验，得出横向槽可以更有效地改善端壁冷却的效率。Ahluwalia等口3研究了煤灰在涡轮叶片上面的沉积和黏附现象。他们发现压力面的黏着系数在0．0003～0．11范围内变化并且与主燃气和壁面温度有着很强的联系，但是冲击角的变化对于黏着系数的影响是可以忽略的。对于沉积与腐蚀的关系以及影响沉积因素的研究方面，Crosby