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摘 要

本文以某型航空发动机为依托，利用ANSYS软件和FLOWMASTER软件对其进行建模模拟计算，并对结果进行分析对比，进而找寻一种快速降维建模的方法，使复杂航空发动机的理论计算达到更简便的效果。

首先分析航空发动机高压涡轮盘后腔的复杂结构，建立合理的准三维简化模型，在现有的边界条件下利用FLUENT软件计算出流路特性和传热特性。计算结果表明涡轮盘二次风系统对涡轮盘起到了很好地冷却效果，防止高温燃气破坏涡轮盘腔。

其次利用FLOWMASTER软件将高压涡轮盘后腔按照一定特性划分为各个元件，将FLOWMASTER中的计算结果与FLUENT中的计算结果进行对比分析。对比结果显示，通过以上操作达到由三维实际模型到一维元件的降维建模计算的目的是可行的。

关键词：数值模拟 降维建模 涡轮盘 传热

Detailed calculation and dimensionality reduction modeling of heat transfer characteristics in complex turbine disc cavity of aero-engine

Abstract

Based on a certain aero-engine, this paper USES ANSYS software and FLOWMASTER software to carry out modeling and simulation calculation, and analyzes and compares the results, so as to find a method of rapid dimension reduction modeling, so as to make the theoretical calculation of complex aero-engine more convenient.

Firstly, the complex structure of the disc and back chamber of the high-pressure turbine of aero- engine was analyzed, and a reasonable quasi-three-dimensional simplified model was established. The flow path characteristics and heat transfer characteristics were calculated by FLUENT under the existing boundary conditions. The calculation results show that the secondary air system of turbine disk has a good cooling effect on the turbine disk and prevents the high-temperature gas from damaging the turbine disk cavity.

Secondly, FLOWMASTER software is used to divide the back chamber of the high-pressure turbine into various components according to certain characteristics, and the calculation results in FLOWMASTER are compared with those in FLUENT. The comparison results show that it is feasible to achieve the goal of dimensionality reduction modeling and calculation from the three- dimensional practical model to the one-dimensional element through the above operations.

Key Words: The numerical simulation; Reduced-order modeling; Turbine disc; Heat transfer

符 号 说 明

三个方向上的速度

三个方向上的脉动速度

湍流动能

湍流动能耗散率

方向坐标

三个方向的坐标

密度

温度，时间

压力

湍流脉动压力

松弛因子

动力粘度

运动粘度

温度

脉动温度

导热系数

定压比热

马赫数

音速

长度

面积

直径

转轴角速度

雷诺数

努谢尔数

普朗特数

格拉晓夫数

盘腔中某点的半径

通用形式变量

F-HT 高压涡轮盘后腔流体域

F-LL 导向器内腔流体域

F-LT 低压涡轮盘前腔流体域

S-HT 高压涡轮盘

S-HR 高压涡轮相连的环套

S-LL1，S-LL2 低压涡轮导向器部分固体域

S-LT 低压涡轮盘

S-LR 低压涡轮相连的环套

S-B 后支承座及轴承腔连接的部分固体域

入口

出口

标 号 说 明

— 时间平均

～ 瞬时值

* 滞止参数

∞ 自由流参数

坐标方向

半径R处的参数

切向参数

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 VI

第一章 绪 论 1

1.1课题研究背景及意义 1

1.2国内外发展及研究现状 1

1.2.1国外发展及研究现状 1

1.2.2国内发展及研究现状 2

第二章 流动与传热研究理论 4

2.1引 言 4

2.2 流动控制方程和湍流模拟 4

2.2.1 雷诺平均流动和传热方程 4

2.2.2湍流模型 5

2.2.3传热努塞特数 6

2.3 数值计算方法 6

2.3.1分离格式求解 6

2.3.2 p-v耦合方程的SIMPLE算法 7

2.4本章小结 9

第三章 实际物体CFD建模计算 10

3.1前言 10

3.2模型介绍 10

3.2.1整体模型 10

3.2.2 高压涡轮盘及其后腔结构模型 12

3.2.3 导向器内腔结构模型 13

3.2.4高压涡轮盘腔冷却气进口简化 14

3.3 网格划分与边界条件 15

3.3.1 网格划分 15

3.3.2 边界条件 16

3.4 计算结果与分析 18

3.4.1 速度场分析 18

3.4.2 进、出口流量分析 20

3.4.3 压力场分析 21

3.4.4 温度场分析 23

3.5 本章小结 25

第四章 FLOWMASTER建模计算 26

4.1前言 26

4.2构建模型和计算 26

4.2.1计算流程 26

4.2.2元件模型 26

4.2.3物理模型 27

4.2.4设置参数与计算 29

4.3 结果与分析 33

4.3.1 温度结果 33

4.3.2压力结果 34

4.3.3热流结果 34

4.3.4 整体模型计算与分析 35

4.3.5 FLUENT准二维与FLOWMASTER一维降维计算结果偏差原因分析 36

4.4 小结 37

第五章 结论与展望 38

附 录 39

参考文献 40

致谢 42

第一章 绪 论

1.1课题研究背景及意义

自从20世纪人类发明飞机后，寻求更强大、更耐久的动力装置便是人类不断研究的目标和方向。现如今，燃气涡轮发动机是航空动力方面的主要使用设备，既是兼顾知识密度和军民两用的高科技产品，也是一个国家的综合实力的体现^[1]。

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