粒子特性对涡轮叶片表面沉积的影响研究

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随着航空工业的发展,飞机的航路航线也逐步扩展,在不同地区运行的发动机会摄入不同种类的颗粒,并形成一定的沉积结果。粒子的特性参数一直是影响沉积累计结果的重要因素,变化的粒径和颗粒化学组成将对应差异性的颗粒运动状况和颗粒属性参数,从而造成不同的沉积形貌,对应发动机不同的损伤程度和使用寿命。探明各粒子特性参数对沉积结果的影响是研究颗粒物沉积问题方面的一个重要内容。为了得出各粒子特性参数对涡轮叶片表面颗粒物沉积的影响规律,全文以沉积颗粒参数整理,颗粒沉积运动分析,石蜡颗粒沉积对照实验,采用用户自定义功能的数值模拟为手段研究了颗粒的粒径分布,颗粒的化学组成,颗粒的密度等参数对沉积的影响程度,展示涡轮导向叶片表面的颗粒沉积覆盖和增长情况,为将来分析不同环境下外部颗粒的摄入对航空发动机换发和维护的影响提供理论基础。对沉积颗粒的参数整理分析中,统计了近40年来颗粒沉积研究中所采用的沉积颗粒的基本特性,得出了大部分导致沉积的颗粒具有高密度(通常在1500kg/m~3之上),小粒径(0-20微米),硅铝氧化物含量较高的特点。基于颗粒沉积运动周期概念,从粒子输运,撞击,粘附,剥离的四个过程逐个分析,考察了多种颗粒的撞击可能和粘附概率的结果。结果显示,粒子粒径对沉积的影响最为复杂,发动机常规运行条件下粒径大于12微米的颗粒通常体现出多撞击,少粘附,多剥离的计算结果,而相对较小的颗粒则在较少的随流撞击中体现出更高的粘附概率;同时,颗粒化学组成,颗粒密度,以及颗粒的温度或速度等参数则展现出对颗粒沉积直接正相关或负相关的结果,影响模式相对单一,颗粒硅铝含量越低,颗粒的温度越高,撞击颗粒的运动速度越低越易形成沉积。为整合颗粒各个运动阶段,体现涡轮导向叶片表面颗粒物沉积的非稳态结果,本文基于组合粘附模型和剥离模型,采用FLUENT的用户自定义功能建立了涡轮导叶非稳态数值模拟方案。并针对模型的准确性问题执行了满足无量纲相似参数的蜡颗粒沉积实验。沉积分布情况和无量纲沉积厚度结果对照较好。最后依据建立完成的沉积模拟方案,对涡轮叶片表面的颗粒物沉积过程进行了数值仿真,一方面展示了涡轮导叶表面颗粒物沉积主要存在的位置是在叶片的前缘和压力面区域,验证了网格变形等用户自定义程序可以正常运行,另一方面揭示了叶片前缘的沉积累积速率最高。颗粒剥离特性,不同主流和颗粒温度,不同直径颗粒对沉积均有较为显著的影响。得出的影响规律与之前理论分析的结论在各个粒子特性参数方面均较为符合,为粒子特性对沉积影响的定量研究提供了初始数据支持。
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