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%。     

超燃冲压发动机再生冷却结构的多目标优化设计

针对当前超燃冲压发动机再生冷却结构的优化研究存在对经验关联式依赖的问题,且对流动压力损失问题重视不足,采用响应面法结合多目标遗传算法,以燃气侧平均壁温和流动压力损失为优化目标,对单根再生冷却通道的肋高、槽宽和肋厚进行优化设计。结果表明:肋高对优化目标的影响程度最大,其次是槽宽、肋厚,且不同进口质量流量下设计变量对优化目标的影响规律是相似的。计算得到设计工况下的Pareto最优解集后,从中可选取多组综合流动换热性能优于初始通道的结构。对解集中一组优化通道进行圆整并以进口质量流量为设计变量建立响应面,获得了冷却平板的设计方案及1.539~9.604kg/s的允许进口质量流量范围。     

航空刹车机轮自然对流的数值模拟

采用商业软件Fluent对简化的航空机轮内部腔体的自然对流进行数值模拟,得到了中间环形狭缝瑞利数在106～1011范围下腔体内部的流动换热规律。对腔体内部的复杂的流动和换热进行分析,获得了机轮内部腔体关键部位的流动特征,并拟合出了刹车盘面与轮毂间对流换热的关联式。当环缝内瑞利数达到108,流动进入湍流状态。同时将数值模拟的结果与有关文献做了对比,证明了本文计算方法的正确性。     

紧凑凸肋通道对尾缘劈缝气膜冷却特性的影响

以稳态压敏漆技术和瞬态热色液晶技术为测量方法，实验研究了尾缘区域凸肋内冷供气通道对外部气膜冷却特性的影响，详细对比分析了直肋间距和吹风比对尾缘劈缝扩张表面的气膜冷却效率、对流换热系数和劈缝流量系数的影响，并引入热流密度比来衡量对比紧凑凸肋通道对劈缝表面的综合冷却效率增强性能。实验结果表明：劈缝流量系数受吹风比的影响较小，随肋间距的增大而减小；凸肋通道明显加强了射流的混乱程度，导致其与主流掺混程度加剧，降低了劈缝表面远下游区域的气膜冷却效率，小肋间距结构气膜冷却效率略高于大肋间距结构，随着吹风比的增大，凸肋通道结构与基准结构的气膜冷却效率差异减小；凸肋通道结构可提升基准结构缝出口区域的低换热性能，尤其对于小肋间距结构，大吹风比时，缝出口的换热核心区沿流向延伸效果增强；具有小肋间距的凸肋通道对尾缘劈缝的综合冷却性能有促进作用，其中肋间距p/h=4结构可提升15%～20%的综合冷却性能，而大肋间距结构明显降低了基准结构的综合冷却性能。     

微小通道在叶片冷却结构中的应用研究

采用数值计算的方法,针对涡轮叶片中部的微小通道冷却结构进行了换热以及流阻特性的分析,得到了微小通道宽高比和肋厚高比对其特性的影响.在进口雷诺数R_e=11000时,若肋厚高比一定,则该冷却结构的综合换热效果随微小通道宽高比的增加先增加后减小;若微小通道宽高比一定,则该冷却结构的综合换热效果随肋厚高比的增加呈现先增加后减小的趋势.      

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.      

蛇型冷却通道中的蒸汽流动与换热特性研究

采用CFX软件数值计算了带肋蛇形冷却通道内的空气流动与换热特性,验证了计算模型和方法,比较了湍流模型的适用性;在此基础上,数值计算了蛇形冷却通道内蒸汽的流动与换热特性,分析了蒸汽过热度、肋片角度和V型肋片对蒸汽流动与换热性能的影响。结果表明:SSG湍流模型的计算结果与实验数据吻合较好;蒸汽过热度对换热效果的影响较小;相对于光滑通道,带肋通道的弯道效应影响降低;V型肋片的换热效果好于平行斜肋。     

涡轮叶片内部微小V肋-凹陷涡复合冷却流动与传热数值模拟

为强化航空发动机涡轮叶片内冷通道传热性能,针对带有微小V肋-凹陷涡高效复合冷却结构矩形通道,采用Abe Kondoh Nagano （AKN） k-ε湍流模型数值模拟研究了肋高与凹陷深度组合对流动传热特性的影响机理。结果表明,当凹陷深度一定,复合结构的强化换热效果随肋高增加而增加,3mm肋高复合结构的传热相比纯凹陷提高了87.1%;当肋高一定,传热随凹陷深度增加先增强后基本保持不变,6mm深凹陷复合结构相比纯V肋提高了52.8%。通过在凹陷上游布置V肋,增强了越过V肋冲入凹陷内流体的湍动能,从而使凹陷前部回流区减小;同时来自微小V肋的涡流与凹陷内部的涡流相互作用,增强了整个流场的动量和热量输运,使通道换热均匀,并相较纯凹陷或纯V肋结构均有显著提升。     

V型肋片直冷却通道内流动与传热的数值研究

采用结构化六面体网格和k-ε湍流模型求解三维N-S方程,对内置不同肋间距与肋高比V型扰流肋片的直冷却通道,在入口雷诺数为20 000时的流动与换热特性进行数值模拟,分析了不同肋间距与肋高比对肋间壁面换热效果和流动损失的影响,并对肋间距与肋高比进行了全局寻优。结果表明,带肋直冷却通道的整体换热效果和综合冷却效率,分别和肋间距与肋高比呈近似函数关系,肋间距与肋高比为7.93时通道整体换热效果最好,为5.2时通道综合冷却效率最佳。     

V肋对尾缘劈缝气膜冷却特性的影响

采用压敏漆技术和瞬态热色液晶技术研究了V肋对尾缘劈缝表面气膜冷却特性的影响,获得了不同吹风比及V肋宽度下2种不同尾缘劈缝表面形状的气膜冷却效率和对流换热系数分布的试验数据,并采用净热流密度值评估对比了带有V肋的劈缝结构的综合冷却性能。试验结果表明：V肋的加入对未扩张型劈缝表面的气膜覆盖产生了不利影响,在小吹风比工况下,V肋宽度对面积平均气膜冷却效率无明显影响,相同V肋宽度结构下,未扩张型劈缝表面的气膜冷却效率始终高于扩张型劈缝表面的;V肋宽度对劈缝表面换热强度的影响不明显,V肋在未扩张劈缝表面结构上展现出的强换热性优于扩张型劈缝表面结构;带有V肋的尾缘劈缝冷却结构可有效增大6.9%~26.6%的净热流密度值,V肋宽度对其无明显影响,小吹风比工况下宜将V肋应用于未扩张的劈缝表面结构,大吹风比工况下无需考虑劈缝表面形状。     

高压涡轮转子叶片端面的流动与换热特性研究

通过数值计算,对高压涡轮转子叶片凹槽端面的流动与换热特性进行了初步研究,并与平板端面进行了比较.计算结果表明:叶尖间隙越小,凹槽的节流效果就越明显;转速对叶片端面换热系数的影响不显著;小间隙对叶片端面平均换热系数的影响较大.     

直肋对扩张型尾缘半劈缝气膜冷却特性影响的实验研究

为探究布置直肋扰流结构的尾缘半劈缝冷却结构的气膜冷却特性,分别采用压力敏感漆技术和瞬态热色液晶技术研究了直肋对扩张型尾缘半劈缝表面的绝热气膜效率和对流换热系数的影响,详细对比分析了吹风比及直肋宽度对三种不同扩张型半劈缝表面的气膜冷却特性。实验结果表明:直肋的加入对小扩张型半劈缝表面的气膜覆盖产生了不利影响,但仅限在小吹风比工况;而直肋对大扩张型半劈缝表面的气膜覆盖有略小的促进作用,但其绝热气膜效率始终低于小扩张型半劈缝表面。肋宽对半劈缝表面的换热增强大小受半劈缝表面形状影响,随着半劈缝表面扩张程度的增大,宽直肋结构的高换热优势逐渐超越窄直肋结构。直肋型尾缘半劈缝冷却结构可有效提升1.45～2倍的壁面热流密度,小吹风比工况时宜选用带有窄直肋的扩张程度较小的半劈缝表面结构,而大吹风比时宜选用带有宽直肋的扩张程度较大的半劈缝表面结构。     

带三角形V肋和反向V肋内冷通道强化换热机理研究

为了研究Ⅴ型肋分布形式和截面形状对带肋通道表面的换热强度和流动结构的影响,采用瞬态液晶实验和数值模拟相结合的方法,对截面形状为三角形的Ⅴ肋和反向Ⅴ肋在不同雷诺数工况下的表面换热系数分布规律进行了研究,并分析了Ⅴ肋和反向Ⅴ肋诱导产生的肋间涡的发展特性,并与传统矩形截面肋结构进行了对比分析。结果表明:带肋通道表面换热系数随雷诺数增大而增大;正向Ⅴ肋后换热系数呈"心"型分布,在一条肋两支之间诱导一对涡,并沿流向向两侧发展,三角形截面肋的高换热区更集中于中线;反向Ⅴ肋后换热系数呈"八"字型分布,在一条肋两支外侧诱导对涡,沿流向向中间发展,且三角形肋的展向范围更大。三角形截面肋的换热强于矩形截面肋,且当入口雷诺数低于2.5×104时,三角形反向Ⅴ肋的换热效果最好。     

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。     

双向进气时扰流柱通道内流动与换热特性试验研究

试验研究了两端进气时涡轮叶片尾缘扰流柱通道内的流动与换热特性。试验模型对涡轮叶片尾缘横肋、扰流柱通道进行了简化,并放大四倍,保留了叶片尾缘的基本特征。试验中通过调节扰流柱通道和横肋通道的流量分配,得到各测点的压力分布和努赛尔数据分布。研究结果表明,扰流柱通道两端进气结构,使整个通道的压力分布和换热分布比较均匀,克服了一端进气时流阻和压力损失较大引起的叶尖换热较差的缺点。     

条缝喷嘴几何结构对旋流冷却特性的影响

为了寻求更优的透平叶片前缘冷却结构，建立了条缝喷嘴旋流冷却结构，并选用标准k-ε湍流模型进行数值计算，探究了条缝喷嘴几何结构对旋流冷却流动与换热特性的影响。在所研究雷诺数范围内，条缝喷嘴旋流冷却靶面换热流向不均匀度比离散结构小67.8%～71.9%；条缝喷嘴旋流冷却靶面换热强度在喷嘴范围内沿流向呈上升趋势；通过改变条缝喷嘴截面斜度角可以有效影响靶面换热分布，当斜度角为0.24 rad时，换热强度沿流向基本呈均匀分布，超过此值，则呈下降趋势；条缝喷嘴高度对旋流冷却换热均匀性影响较为明显，当喷嘴高度是水力直径3.41倍时，综合性能最好；此外，还探究了条缝喷嘴宽度对旋流冷却的影响。     

交替大小肋片方腔通道内换热性能的数值模拟

采用商业软件CFX研究了内部具有不同间距的周期性交替大小肋片的方腔通道的换热性能.结果发现:流体流过斜置肋片时,从肋片的上游端点开始形成一个紧靠带肋壁面向斜下游发展的喇叭状涡,此涡使肋片之间形成卵形高换热区域;高换热区域面积的大小与流体流动情况有关,而且受下游肋片影响.与采用单一尺寸肋片的通道相比,在适当的位置加入小肋片能够改善再附着区域下游的换热,同时降低通道的流阻系数,增强综合换热能力.      

低雷诺数下翼型分离流动抽吸控制优化

为了获得不同目标下最优抽吸控制参数,开展了分离流动抽吸控制优化研究,基于RBF神经网络与遗传算法,发展了求解单目标和Pareto多目标问题的优化平台。针对NACA0012翼型表面分离流动,在其上表面设计了局部多孔分布式抽吸结构,将径向基函数(Radial Basis Function,RBF)神经网络作为CFD计算的代理模型,以减小计算量;采用遗传算法开展了单目标和Pareto多目标优化。优化结果表明:该优化设计平台具有良好的收敛性和准确度;以升阻比为单目标的优化使升阻比最大增加了2.4倍;Pareto多目标优化设计获得了分布均匀的、令人满意的Pareto解集,为设计者提供了一个可选的有效解数据库。在合理选择抽吸角度、抽吸孔径和孔间距的前提下,只需较小的抽吸系数,就可使升阻比获得明显增加,同时,还能保持较高的FOM值,使整个控制系统的能效比维持较高水平。     

Pareto遗传算法在气动外形优化中的应用

Pareto方法作为一种多目标优化方法,能够一次性获得优化问题对应的不同权重分配情况下的所有最优解集。它与遗传算法结合产生的Pareto遗传算法,是求解多目标优化问题的Pareto最优解集合的一种有效手段。本文将两种常用的Pareto遗传算法,MOGA方法和两支联赛遗传算法应用到气动外形优化中,针对具体算例进行气动外形的优化设计,得到了满意的优化设计结果。     

带前缘涡轮动叶内冷通道流动换热数值模拟

在静止条件下,通过数值模拟的方法对接近真实的带前缘涡轮工作叶片腔模型内的流动与换热进行了分析.结果表明:腔内斜肋引发的三维涡对换热产生了巨大的影响,在一倍肋高范围内, Y-Z 和 X-Y 平面上都出现了肋后涡,使得此处传热系数降低;在 X-Z 平面上,第2通道产生一对方向相反的涡,第3通道只产生一个涡.两个通道中的涡都占据整个横截面,这些涡增加了通道流阻.冲击和气膜流动主导了前缘通道内的换热,冲击产生的一对涡加强了流动掺混,促进了前缘吸、压力面上的换热,而高速的气膜出流推动了这一过程.相同流量工况下,第2通道带肋表面的平均换热和局部换热都是最好的,而光滑的第1通道总压降最小,综合换热性能在各个通道中最高.随着雷诺数的增加,各通道吸、压力面的局部换热和平均换热都增强,但压降系数变化不大.