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摘 要

本文主要介绍航空发动机涡轮盘腔内流系统降维建模的方法研究，以某航空发动机涡轮盘腔为依托，对其进行简化与降维分析。采用Fluent的Flowmaster作为数值模拟的计算工具，研究了涡轮风扇发动机涡轮盘腔与内流系统间的流动与传热问题。

首先，对某型航空发动机涡轮盘腔的复杂结构通过合理的简化，进行物理模型的搭建。对涡轮盘腔整体系统分别进行了准三维建模和一维降维建模，通过Fluent和Flowmaster进行数值求解，求解出二维和一维的压力场、温度场、速度场。

其次，主要分析了涡轮盘腔准三维模型中的高温燃气倒灌现象，篦齿间的节流现象，腔体内部的流动环流现象的原因和影响因素进行了研究，推断出冷却气进气流量和篦齿流通截面积是影响涡轮盘腔整体性能的重要因素。同时，讨论了准三维与一维模型计算温度压力场结果存在偏差的原因。

关键词：数值模拟 降维计算 涡轮盘腔 流动传热

Study on flow and heat transfer characteristics of complex turbine cavity in aero-engine

Abstract

This paper mainly introduces the method of dimensionality reduction modeling for turbine cavity system of aero-engine. Based on the turbine cavity of an aero-engine, the method is simplified and dimensionality reduction is analyzed. Fluent Flowmaster is used as a numerical simulation tool to study the flow and heat transfer between the turbine disc cavity and the internal flow system of a turbofan engine.

Firstly, a physical model was built for the complex structure of turbine disc cavity of a certain aero-engine through reasonable simplification. Quasi-3d modeling and one-dimensional dimension reduction modeling were carried out for the overall turbine disc cavity system, respectively. The pressure field, temperature field and velocity field of 2d and 1d were solved numerically through Fluent and Flowmaster.

Secondly, this paper mainly analyzes the high temperature gas backflow phenomenon in the quasi-three-dimensional model of turbine disk cavity, the throttling phenomenon between the labyrinth seals, and the reasons and influencing factors of the flow circulation phenomenon inside the cavity, and concludes that the cooling gas inlet flow rate and the labyrinth seal flow cross-sectional area are the important factors affecting the overall performance of the turbine disk cavity. At the same time, the reason of the deviation between the quasi-three-dimensional and one-dimensional models is discussed.

Key Words:Numerical simulation; Dimensionality reduction; Turbine cavity; Flow and heat transfer

目 录

摘 要 I

Abstract II

符号说明 V

第一章 绪 论 1

1.课题研究背景及意义 1

2 国内外发展及研究现状 2

2.1国外发展及研究现状 2

2.2国内发展及研究现状 3

3本章小结 4

第二章 涡轮盘腔内流系统仿真的理论基础 5

2.1 引言 5

2.2 流动控制方程 5

2.2.1 雷诺输运方程 5

2.2.2 连续性方程 5

2.2.3 动量方程 6

2.2.4 能量方程 6

2.3 数值计算方法理论基础 6

2.3.1 Fluent理论基础 6

2.3.2 Flowmaster理论基础 7

2.4本章小结 9

第三章 涡轮盘腔准三维模型建模分析 10

3.1 引言 10

3.2 航空发动机涡轮盘腔模型分析 10

3.2.1 物理模型分析 10

3.2.2 航空发动机涡轮盘腔流路分析 12

3.3 航空发动机涡轮盘腔简化方法 12

3.3.1 高压冷却进气腔的简化 12

3.3.2 导向器内腔结构及简化 12

3.3.3 轴承腔结构及简化 13

3.3.4 低压涡轮导向器叶片内通道口简化 13

3.4 Fluent建模分析 13

3.4.1 网格划分（前处理） 13

3.4.2 边界条件及物性参数 15

3.5本章小结 16

第四章 基于Flowmaster的涡轮盘腔降一维模型建模分析 17

4.1 Flowmaster降维一维简化方法 17

4.2 Flowmaster建模分析及边界条件 18

4.2.1 空气系统管路建模 18

4.2.2 腔体划分建模 19

4.2.3 边界条件及元件参数 21

4.3 本章小结 25

第五章 涡轮盘腔降维计算结果分析 26

5.1 Fluent二维计算结果分析 26

5.1.1 速度矢量计算结果图分析 26

5.1.2 温度场结果图分析 28

5.1.3 压力场结果图分析 29

5.2 Flowmaster一维计算结果分析 31

5.2.1 一维压力、温度网路图分析 31

5.2.2 Fluent二维与Flowmaster一维降维计算结果偏差原因分析 33

5.2.3 变工况下对航空发动机涡轮盘腔的影响 33

5.3本章小结 35

第六章 总结与展望 36

6.1 总结 36

6.2 展望 37

参考文献 38

致谢 40

符 号 说 明

三个方向上的速度

三个方向上的脉动速度

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