沉积表面对粒子的沉积与剥离机理研究

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当飞机在颗粒物浓度较高的地区运行时,较多的颗粒在压气机的作用下会被吸入发动机内部,在燃烧室高温高压作用下,颗粒物特性发生变化,进而在涡轮部件上沉积。当大量的颗粒沉积时,容易造成涡轮叶片表面气膜孔的堵塞、增大叶片表面的粗糙度、改变叶片的气动外形;过多的颗粒堆积会导致涡轮导向器喉道面积严重减少,导致涡轮工作状态的偏移,影响发动机的正常运行,因此航空发动机涡轮部件的沉积问题逐渐成为国内外研究的热点。本文中主要针对沉积表面以及沉积表面对整体沉积分布的影响开展研究,所包含的工作内容有:(1)分析了颗粒在主流中输运过程中的物理作用机制,建立了颗粒发生粘附的理论模型,此模型主要依据于碰撞时刻目标表面与颗粒之间的粘度和颗粒的速度。此外利用来流颗粒粒径与碰撞网格上的沉积厚度进行对比,确定当前表面是否存在沉积,针对两种壁面建立了不同的的剥离模型。未沉积表面剥离主要依据主流拖曳力与颗粒与表面之间的粘附力;在沉积表面的剥离当中还提出了临界陷入值、法向力臂、切向力臂、自由高度H与校正系数S等关键参数,细化整个沉积研究的计算流程。(2)利用建立的模型对涡轮工况下高压涡轮导向叶片的沉积问题进行了数值模拟,结果表明颗粒物主要集中在压力面前缘处,这使得大量的小颗粒容易在此处发生陷入现象。在颗粒的剥离方面展示了沉积表面与未沉积表面的剥离分布情况,两种壁面的剥离情况之间存在紧密的联系。此外还研究了沉积表面颗粒间距w以及沉积表面颗粒半径的影响,结果表明其对当前工况下颗粒的沉积分布情况影响较小,两者的增大会使得同一时间节点下的沉积厚度降低。(3)在沉积物对整体沉积分布的影响方面,假设在气膜孔后存在颗粒物的堆积,本文中主要以肋状沉积块体现,计算域中的边界条件主要通过相似准则匹配涡轮实际工况得出,研究内容中针对沉积块在孔后的不同位置,结合气膜孔三种不同的吹风比分析了最终的沉积分布情况,结果表明沉积块的存在对于沉积分布有着较大的影响,一方面沉积物的存在改变了气膜以及主流的运动情况,另一方面阻碍了部分来流中的颗粒,使得沉积块下游附近沉积量较少,并且这种阻碍作用也导致较多的颗粒在其前缘表面发生粘附。另外当吹风比较低时,平板以及沉积块表面的沉积量都较多,尤其当沉积块距气膜孔较近时,这种现象最为明显;在减少颗粒物的沉积方面,结合沉积前后的冷却效率变化情况可以发现1.0吹风比具备更加明显的优势。
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