● 摘要
本文以成熟的CFD（Computational Fluid Dynamics）商业软件NUMECA为数值模拟工具，通过算例涡轮的三维、定常数值模拟结果的比较和分析，对冷气掺混和叶尖间隙对涡轮性能的影响进行数值研究。首先，以两个带有试验结果的单级涡轮为数值模拟对象，研究湍流模型、网格和初始边界条件对CFD数值模拟结果的影响。通过有、无叶尖间隙时三套网格、五种湍流模型数值模拟结果的涡轮性能参数，涡轮特性曲线，静叶叶型表面等熵马赫数分布曲线与相应试验数据的对比分析，并考虑间隙网格变化对数值模拟结果的影响及部分收敛曲线和计算资源使用情况。分析湍流模型和网格对数值模拟结果的影响及相互关系。通过改变出口静压的分布方式，研究边界条件对数值模拟结果的影响。研究结果表明： Spalart-Allmaras模型计算收敛性较好，解的精度相对较高，对网格变化和边界条件变化均不敏感，计算时间和资源消耗方面介于零方程和两方程模型之间，在数值模拟时推荐作为首选模型。其次，以上述两个算例涡轮为数值模拟对象研究了叶尖间隙对涡轮性能的影响。先就叶尖间隙变化时不同湍流模型对数值模拟结果的影响进行研究，并与试验数据对比，发现不同湍流模型涡轮性能参数变化幅度不同，尤其是效率值。采用S-A模型对叶尖间隙大小（均匀间隙）和形状（非均匀间隙）对涡轮性能的影响进行数值模拟研究，研究结果表明：均匀叶尖间隙每增大1％相对叶高，涡轮流量和膨胀比基本不变，效率下降约1.5个百分点；非均匀间隙时，涡轮流量和膨胀比也基本不变；平均叶尖间隙相同时收缩型间隙效率高于均匀间隙和扩张型间隙；平均间隙越大，效率越低。最后，以一单级气冷涡轮为数值模拟对象研究冷气掺混对涡轮性能的影响。分别采用三个湍流模型进行计算，将计算结果进行互对比，分析不同湍流模型在模拟有冷气掺混时对计算结果的影响，结果表明不同湍流模型数值模拟结果的涡轮性能参数随冷气量变化的趋势较一致。相同冷气量时，冷气温度越低效率越低。在高温涡轮中比热比k值随温度变化明显，k值变化对膨胀比和出口气流角的影响较小，对进口流量、功率和出口速度的影响很大。数值模拟时选择合适的k值可以提高计算结果的精度。