燃气轮机一次表面换热器换热性能计算分析

针对直通道逆流型和45°叉流型两种结构形式的、适用于燃气轮机的一次表面换热器在大雷诺数工况下的流动换热特性,开展了数值模拟研究。将直通道逆流型换热器的数值计算结果与换热器校核计算结果进行了比对,发现两者结果较为吻合。同时还对比分析了两种结构形式对一次表面换热器流动换热性能的影响。结果表明,由于波纹板呈45°交替放置,45°叉流换热器内部流动复杂,局部存在明显的涡流强化换热,气体流动通道内的速度、温度分布极不均匀;此外,45°叉流换热器的换热性能强于直通道逆流换热器,但其冷热两侧压降也大幅增大。通过分析换热器的内部流动换热特点和主要性能参数,为一次表面换热器芯体优化设计提供了依据。     

3D 打印一次表面换热器流动换热性能试验研究

为了研究一次表面换热器的叉流角度和流体流动通道大小对其换热能力及热气压力损失的影响,对不同结构形式的一次表面换热器在各设计工况下的流动及换热特性进行分析,针对3种叉流角度(15°、30°和45°)的大通道和2个小通道(0°和30°)一次表面换热器开展其流动换热性能的试验,试验热气入口温度分别为60、80、100和120℃,热气流量分别为30、40、60和80 kg/h。试验结果表明:不论大、小通道换热器,叉流角度越大,换热器的换热能力越强,热气压降呈递增的趋势;叉流角度同为30°时,小通道换热器的换热能力强于大通道换热器的,但热气压降较大;通道大小对一次换热器流动和换热的影响强于叉流角度对其的影响。借助试验结果对不同叉流角度的一次表面换热器给出热气压降的试验拟合公式,总结了通道大小与换热系数的关系。     

CC型原表面换热器通道内流动与换热特性的数值研究北大核心

交错波纹板(CC)型换热器具有结构紧凑、换热效率高等特点,可满足间冷回热循环涡扇发动机对间冷器的要求。数值研究了CC型原表面通道内三维流动及换热特性,探究了上下波纹板交错角(θ)及雷诺数(Re)对流动损失的影响,表明阻力系数f随θ的增大而增大。详细研究了θ为90°时波纹板通道流动损失及换热特性,表明努赛尔数(Nu)随Re的增大而增大。θ为90°时,f、Nu的数值计算结果与文献结果较为接近。     

紧凑翅片管式空气-燃油换热器试验

为实现航空发动机内部热环境与热沉的有效交互，探究换热元件的流动换热特性。以航空发动机燃油系统回油冷却换热器为例，开展了小管径矩形翅片管式空气-燃油换热器流动换热性能试验研究。试验采用高温燃油与常温空气两股工质在换热器中进行能量交换，探究换热器在不同工况下的流动与换热性能，获取矩形翅片管式换热单元管外流动换热经验关联式。结果表明：矩形翅片管式换热单元的表面传热系数约为相同结构参数光滑管束换热单元的44%，且试验结构换热单元阻力系数高于光滑管束单元，在进行翅片管束换热器设计时应综合考虑翅片对流动换热性能的影响。试验获取的翅片管式换热单元管外努塞尔数经验关联式与阻力系数经验关联式拟合偏差均不超过5%，较为准确地反应了换热单元外侧的流动换热特性。     

直冷却通道斜置肋片传热特性的数值研究

将燃气轮机涡轮叶片内部冷却的直管部分简化为方形截面带肋直冷却通道,并对简化直通道内部肋片在不同斜置角度下的换热特性和流动损失进行优化。针对直通道,进行了湍流模型对比及选取。将肋片的斜置角度30°~60°以5°为等差分为五种工况,然后利用CFX软件和自行编写的MATLAB程序对其进行模拟计算、数据处理、寻优和验证分析。结果表明:k-ε湍流模型与实验数值吻合较好,48.62°的斜置肋片能更好地提高带肋直冷却通道整体换热效果,30.34°的斜置肋片的综合换热性能最好。     

狭缝斜肋内冷通道流动和换热特性的数值研究

为了探究狭缝斜肋的流动和换热特性,进一步挖掘传统斜肋的性能,采用数值模拟的方法,研究了五种不同位置和倾斜角度的狭缝对45°斜肋流动和换热特性的影响,计算的进口雷诺数为2×104～8×104,并与传统的实心肋进行了对比分析。结果表明,狭缝的存在显著改变了冷却通道的流动结构以及换热分布,降低了冷却通道的阻力损失,减小了通道整体的强化换热系数,但同时增加了肋片表面的强化换热系数,且狭缝的位置和倾斜角度的不同对通道性能也存在一定的影响。对比综合热效率,狭缝斜肋相比实心肋增加了约12%～15%。     

矩形涡发生器在翅片管换热器中强化换热研究

翅片管换热器在工业领域广泛应用，对带有矩形涡发生器的翅片管换热器流动与换热特性进行数值模拟研究。对比分析矩形翼涡发生器迎流夹角分别为50°、60°、70°和80°时换热器的传热和流动特性，夹角为60°、70°时的换热性能较高。综合考虑换热能力与压力损失，夹角为60°时换热器的综合性能最好。在迎流夹角为60°前提下，研究涡发生器无量纲结构尺寸为2.25、2、1.75和1.5时换热器的流动和换热性能，涡发生器无量纲尺寸为2时综合性能最佳。     

带交叉肋变截面回转通道内换热的实验研究

以航空发动机涡轮叶片内部回转通道为设计原型,实验研究了三种不同入口宽高比的带60°交叉肋变截面180°回转通道壁面的换热特性。分析了几何无因次参数和气流雷诺数对通道带肋表面换热的影响。结果表明:通道壁面的换热效果是随着进口雷诺数的增大而增加的,其分布趋势基本一致;对于不同宽高比的通道,低雷诺数时通道平均换热效果是基本相同的,在高雷诺数时宽高比小的通道要好于宽高比大的通道,而换热系数在整体通道上的分布情况基本相同。      

不同流动配置下涡轮叶片交错肋冷却流动传热特性数值模拟

为掌握交错肋冷却结构应用在涡轮叶片不同区域的流动传热性能,针对一种交错肋冷却结构在三种不同流动配置中在等质量流量和子通道雷诺数工况下进行了数值计算研究,三种流动配置包含了径向流动配置（RFC）, 横向流动配置（CFC）和转折流动配置(TFC)。通过比较本研究得到的数值模拟结果与公开文献中的实验数据,定性定量地验证了本次数值计算的有效性。在等冷却质量流量下,RFC配置拥有最高的平均努塞尔数和压力损失,而CFC和TFC配置的平均传热性能相似且明显降低,但压力损失大大减少。在相同的子通道雷诺数下,三种流动配置下的交错肋通道展现出相似的传热强化性能,但TFC配置的压力损失最小。在研究范围内,在RFC配置中肋表面的平均换热比主表面的平均换热约高出16.3%,而在CFC配置和TFC配置中该值则分别高出38.2%以及 30.6%。不同的流动配置会引发子通道内不同的流动特性,包括流动转折和子通道间的交互作用。     

涡产生器倾角对换热器内流动与换热特性的影响

为优化涡产生器强化传热的性能,通过改变三角翼式涡产生器的倾角,数值分析了倾角变化对板式换热器通道内流动与换热特性的影响,倾角变化范围为-30°～30°。获得了不同倾角下通道内的纵向涡、涡量分布,换热及阻力特性。结果表明涡产生器倾斜方向对流动与换热的影响不同,存在最佳的涡产生器倾角-10°,使得换热通道内涡产生器强化换热的性能最优;改变倾角可进一步提高涡产生器的强化传热性能,不同倾角对应努塞尔数和热性能评价因子间的最大差值分别达到8.9%和5.7%。     

涡轮叶片内部通道流动换热算法改进

在使用工程计算方法对涡轮叶片温度场进行计算时,往往将叶片内流通道简化成光滑或带肋的换热管元件,容易忽略 各内流管段之间的影响,造成计算得到的叶片3维温度场与真实温度场存在较大差异。针对上述问题,为了提高对涡轮叶片3维 温度场模拟的准确度,对涡轮叶片内流通道的换热流动算法进行改进。考虑涡轮内部蜿蜒通道中弯转区和弯转效应2种因素对 涡轮内部流动换热的影响,使用试验得到的数据对2种因素影响区域的换热情况进行修正,利用修正后的算法对某工作叶片进行 温度场计算,并对修正前后叶片温度场进行了对比分析。结果表明：采用修正后算法得到的蜿蜒通道内的气体温度相较于修正前 算法得到的沿程升高更多,修正后算法求得的叶片整体平均温度降低,最大温差增大。     

叶片弦中区内部气膜孔局部换热特性实验

对叶片弦中区内部有、无冲击射流的气膜出流冷却方式中,冷气侧气膜孔局部换热特性进行了实验研究。无冲击射流时,主要研究了来流雷诺数、气膜出流与横流密流比的变化对气膜孔局部换热特性的影响;研究发现,气膜孔局部的换热均随两者的增加而强化,且孔后的换热要好于孔前的换热,越靠近孔的地方换热越强,并对倾角为30°和90°时气膜孔的“溢流效应”进行了比较。有冲击射流时,改变冲击雷诺数、横流射流密流比等流动参数,通过对数据整理得出了这些参数对其局部换热特性的影响规律。      

八面体桁架结构在内冷通道中的流动传热特性研究

为探究八面体桁架结构在航空发动机热端部件内冷通道中的可应用性,掌握八面体桁架结构的流动传热特性,本文采用理论推导和三维数值模拟的方法,对八面体桁架单体的有效导热系数以及八面体桁架阵列结构的流动结构和传热性能开展了研究。首先,针对八面体桁架单体结构,推导出了考虑节点效应的有效导热系数关系式,并通过与数值计算结果对比,验证了其有效性。其次,针对八面体桁架阵列结构,开展了整体结构的三维数值计算,分析了其内部通道的流动结构和温度分布,获得了不同结构的流动阻力和对流传热系数随雷诺数的变化规律。最后,考虑到结构的综合传热性能,本文针对不同孔隙率的八面体桁架阵列结构,进行了基于相同泵功率下努塞尔数的对比。根据计算结果,本文给出了获得最佳传热性能的无量纲直径范围0.07~0.08,相应的孔隙率变化范围 0.872~0.841。分析其原因,由于随着结构孔隙率的减小,即固体率的增加,对流传热强度不断提高,然而,当孔隙率减小到84.1%以下时,由于内通道中流动阻力骤然增大,导致传热效率降低。将八面体桁架结构应用于航空发动机热端部件内冷通道中,是同时出于高效冷却和力学性能的考虑,本文掌握八面体桁架阵列结构的流动传热特性,为其在实际工程中的应用提供了理论支撑。     

楔形肋片内冷通道传热与流动阻力特性

利用实验和数值模拟方法,分析了楔形肋片几何结构对仿螺旋肋片内冷通道强化传热与流动阻力特性的影响,并将模拟结果与实验数据进行了对比,两者结果吻合良好.研究结果表明,随着楔形肋片导流角的增大,通道的强化传热显著增强,但其流动阻力也明显增大;气流方向的不同对通道总体换热强度影响不是很大,但反吹时通道中的流动阻力却明显高于正吹;从内冷通道的综合换热效果来看,当楔形肋片导流角为7?且气流正吹时是最佳的肋片几何结构参数.      

并联硅基扩缩微通道热沉强化传热特性

采用去离子水作为冷却工质,实验研究了并联硅基扩缩微通道热沉内的流体流动与强化传热特性.基于微尺度强化传热机理,设计加工了两种并联硅基扩缩微通道热沉.通过测量流体的体积流量、进出口压降与温度、热沉底面加热膜温度,并以传统矩形直通道热沉为参照,获得了并联硅基扩缩微通道热沉在恒热流边界条件和不同体积流量工况下流体流动与对流传热特性参数.结果显示:相对于矩形直通道,并联硅基扩缩微通道热沉的表面传热系数可提高12.5%~85.1%,但摩擦因数只增加了-9.2%~31.4%.表明并联硅基扩缩微通道热沉具有优越的强化传热特性.      

高压涡轮后腔流阻特性与瞬态换热试验研究

在航空发动机二次流系统中,涡轮盘腔的流动和换热问题伴随着复杂的几何、流动及热边界条件,为探究其流场和换热特性对发动机设计的重要作用,对一具有预旋进气孔和高、低半径出口的高压涡轮后腔内的流阻特性和转盘盘面的换热特性进行了试验研究,主要应用瞬态液晶测试技术对转盘表面的对流换热特性进行了测量。在试验中,旋转雷诺数Re_ф变化范围为8×10~5~1.0×10~6,无量纲二次流量(流量系数)C_W变化范围为5.29×10~3~1.19×10~4。试验结果表明:腔内压力及流阻特性受进气流量C_W和转盘转速Re_ф的影响;转盘表面的换热随着半径的递增以及预旋比β_p的增大而增强;出口湍流参数λ_T对换热特性影响很小。     

流体横掠水滴形微针肋热沉流动和传热特性

对传统圆形微针肋进行了优化,设计了3种不同尾角的水滴形微针肋热沉,并以去离子水为工质,实验研究了各热沉流动阻力和传热特性.结果表明:3种尾角针肋中,尾角为60°时减阻效果最好.水滴形针肋的流线型结构可以改善尾部流动分布,推迟流动由层流向过度区流的转变,且尾角越小效果越明显.不同体积流量下,水滴形针肋的最优尾角有所不同.在实验中,雷诺数范围在200～1000内,尾角为60°的水滴形针肋热沉强化换热效果最好.当尾角为30°时,太长的尾部结构受到下一排针肋的影响,造成较大的流动阻力,导致其整体换热效果较差.      

船舶燃气轮机冷却涡轮叶片内部带肋冷却通道颗粒沉积特性研究

为了探究船舶燃气轮机冷却涡轮叶片内部冷却通道内肋片角度的改变对颗粒沉积特性的影响,以7种不同肋片角度及1种弯头处加导流片的肋结构作为研究对象,运用CFD数值模拟对比分析各种冷却结构的流动换热性能以及颗粒沉积特性。结果表明：当肋片角度改变时,内部通道的流动换热和弯头壁面的沉积率存在很大差异。肋片角度为45°的内部冷却通道的换热性能相比于换热性能最差的E型肋的平均努塞尔数高了25%;肋片角度为60°时,弯头壁面和弯头后壁面的沉积率最低;肋片角度为90°时沉积率最高;肋片角度为135°时换热性能最差,弯头壁面沉积率最低。肋片角度的改变对弯头侧壁的沉积率和各个部分的撞击率无显著影响,但是增加导流片可以有效降低弯头壁面的捕获率和沉积率以及弯头侧壁的沉积率、撞击率和捕获率。