01 研究背景

現代燃氣輪機中的內部空氣流動系統對散熱、輸送冷卻空氣、輪輞密封、保持軸承負載、隔離油系統等具有至關重要的作用。因此轉盤腔是轉輪機械系統中的重要部件，轉盤腔包括封閉的轉子-定子腔，徑向流出/流入/軸向通流的旋轉腔等類型。本案例的目的是研究旋轉盤腔中的復雜流動和傳熱機制，并驗證CFD仿真軟件作為解決渦輪機械內部空氣系統相關問題的可行性。

02 模型建立

本案例選取了兩種轉盤腔類型作為研究對象，分別是封閉轉子-定子轉盤腔和徑向流出旋轉腔，如圖1所示。下表給出了所使用的數值模型、網格、計算核時等信息。

圖1 轉子-定子腔（左）和徑向流出旋轉腔（右）示意圖

使用CFD仿真軟件中三種不同的數值模型對以上兩個不同的案例進行了測試，以比較不同數值模型的準確性。

03 結果分析

封閉轉子-定子腔：下圖展示了封閉轉子-定子轉盤腔案例的模擬結果和實驗數據的對比，結果顯示三種壁面模型都能較好地吻合實驗數據。不同半徑下的模擬結果都吻合較好，此處僅以r*=0.7 為例。相較而言，壁面模型LES的結果更好。

圖2 r*=0.7處，幾種壁面模型計算的切向速度和徑向速度和實驗數據的對比

下圖展示了速度擾動的模擬結果與實驗數據的對比，同時還比較了使用DNS方法和其他CFD求解器的壁面模型LES的結果。結果顯示本實驗所用CFD仿真軟件的壁面模型LES能很好地預測雷諾應力，尤其是在邊界層中。對于雷諾應力預測，本實驗所用CFD仿真軟件的性能與其他CFD求解器相似或更好。

圖3 r*=0.7處，幾種壁面模型計算的速度擾動的切向速度和徑向速度和實驗數據的對比

壁面解析RANS（WRRANS）數值模型對線性層和對數層中的速度進行了合理的預測。壁面模型無法求解粘性底層中的速度，但可以很好地預測對數層中的速度，但在對數層中的低y+區域速度預測不足。

圖4 三種壁面模型定子和轉子的近壁面模擬結果

徑向流出旋轉腔：分別使用了不同的壁面求解方法，模擬了旋轉盤上具有三種不同溫度邊界條件（BC）的情況。通過后處理得到了旋轉圓盤上的努塞爾數分布，并與實驗數據進行了對比。RANS和壁面模型LES都較好地吻合了測量值。兩種理論求解方法也有很好的準確性。計算結果驗證了CFD仿真軟件在相對低Reφ（= 2×106）條件下的傳熱預測能力。

圖5 三種溫度邊界條件下，不同壁面求解方法的努塞爾數與實驗數據對比

04 結論與展望

本案例使用CFD仿真軟件模擬了汽輪機系統中封閉轉子-定子轉盤腔中流動和徑向流出旋轉腔內的傳熱現象，模擬結果較好地吻合了實驗數據，同時幾種壁面求解方式也都較好地預測了邊界層的流動情況，很大程度上驗證了CFD仿真軟件對旋轉腔流動中的流動和傳熱的預測能力。

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