Studies on Unsteady Loss Generation Mechanism in Turbine Cascade using Hi-Fi PIV-CFD Merged Method

Hi-Fi PIV-CFD 合并法研究汽轮机叶栅非定常损耗产生机制

基本信息

批准号：
21K03848
负责人：
船崎健一
金额：
$ 2.58万
依托单位：
Iwate University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

ターボ機械内部の流れは本質的に非定常であり、その空力性能の格段の発展のためには、非定常性による影響を定量的に捉えることが重要な課題となっている。特に高効率を求められる航空機用タービンではそのような緻密な調査が求められている。実験的手法による流れの非定常性効果の調査、特によどみ点圧損失計測には侵襲型のプローブによる計測が不可欠だったが、プローブ挿入による流れ場への影響に加え、空間・時間解像が困難であった。この難点を克服するものとしてPIV法に多くの関心と期待が寄せられているが、速度場情報のみを得ることが主眼となっている方法であり、タービン翼列の非定常損失の評価にはそのままでは利用できない。そこで、本研究では、高解像度PIVデータを基にして圧力方程式を解くことににより、翼周りや翼列下流での圧力情報を数値的に取得に、そこから非定常よどみ点圧損失に関する情報を推定する手法の開発に着手している。前年度はPIVのよる高負荷タービン翼まわりの速度場データ取得を試み、概ねその問題なく速度場データの取得に成功した。今回は、得られた速度場データから圧力場を決定するための解法を確立することに取り組んでいる。具体的には、２次元圧力方程式、２．５次元圧力方程式（定式化のところで一部３次元効果を含めているもの）及び発散項の取り扱いなどを調査した。使用した速度データは、解法の開発という観点から、PIVで得られたデータの代わりに、LESによる高精度非定常流れ場解析で得たデータを用いている。これにより、境界条件をどの程度正確に与える必要があるかの調査は実施可能となった。具体的には、対象領域を囲む４面で境界条件をディリクレ条件及びノイマン条件の組み合わせで、その影響度を調査している。得られた結果から、非定常圧力場及びよどみ点圧力の評価が十分に可能であることを明らかにした。

涡轮机内的流动本质上是不稳定的，对于其空气动力学性能的最大发展，它是定量掌握不稳定效果的重要问题。需要高效率的飞机涡轮机需要进行此类详细研究。在使用实验方法对流动不稳定的影响的研究，尤其是在测量停滞的点压力损失时，具有侵入性探针的测量是必不可少的，但是除了探针插入对流场的影响外，空间和时间分辨率很难。尽管PIV方法中有很大的兴趣和期望来克服这一缺点，但主要重点是仅获取速度场信息，不能使用它来评估涡轮级联中不稳定的损失。因此，在这项研究中，我们开始开发一种方法，通过基于高分辨率PIV数据求解压力方程，并估算有关不稳定停滞点压力损失的信息，从而通过求解压力方程来获取叶片和下游的压力信息。在上一年，我们尝试使用PIV获取高负载涡轮叶片周围的速度场数据，并且我们能够获取速度字段数据而没有任何问题。这次，我们正在努力建立一种从获得的速度场数据中确定压力场的解决方案。具体而言，我们研究了处理二维压力方程，2.5维压力方程的处理（其中一些包括配方中的三维效应）和不同的项。从开发解决方案的角度来看，使用LES从高精度非稳态流场分析获得的数据，而不是使用PIV获得的数据。这使得可以研究边界条件的准确程度。具体而言，通过将Dirichlet和Neumann条件组合在目标区域周围的四个表面上，研究边界条件的影响。获得的结果表明，对不稳定压力场和停滞点压力的评估足够可能。