间距对凹坑强化传热和流动阻力的影响

对矩形通道内的球面凹坑壁面进行了传热系数和流动阻力测量,研究了通道Re数和凹坑间距的影响.无量纲流向间距分别为1.5,1.2和0.8.实验发现凹坑面上局部Nu数沿流向和横向变化剧烈.与光滑壁面相比,凹坑面的平均换热增强45%左右,流动阻力增大92%左右,平均综合传热性能增强16%.减小凹坑间距使流动阻力增大,平均换热和平均综合传热性能进一步增强.数据显示Re数对凹坑壁面的换热增强和流动阻力增大的影响相对较小.      

叶片前缘旋流和常规冲击对比数值研究

为了寻求更好的叶片前缘内冷结构,对旋流冲击和常规冲击的流动和传热特性进行了数值模拟,对比研究了二者的涡流结构、传热强度、流动阻力、综合传热性能和热均匀性,研究了通道Re数和冲击间距对这些参数的影响。结果表明旋流冲击形成的旋涡有利于传热的增强和热均匀性的提高。在所研究的Re数（2×104~7.78×104）和冲击间距（3.3~5倍直径）范围内,旋流冲击与常规冲击相比平均传热增强18%~34%,增幅随Re数和冲击间距的增大而增大;流阻增大10%~26%,增幅随Re数和冲击间距的增大而减小;综合传热性能增强20%左右;热均匀性提高60%左右。     

旋转状态下矩形微小通道流动与换热试验研究

为了研究微小通道结构在航空发动机涡轮叶片中应用的前景和可行性,以空气为冷却介质,在Re＝1000～3000、转速为0～500 r/min、Ro＝0～3.5×10-3条件下,对水力直径为1 mm的旋转微小通道组的流动和换热特性进行试验研究。结果表明：微小通道流阻系数呈现粗糙壁通道特征,通道临界Re≈2350,流阻系数以及临界Re随转速增加未见明显改变。在静止状态下,通道组综合换热系数随Re增大而增大,换热系数分布沿流动方向逐渐减小;在旋转状态下,通道组平均综合换热系数略有增大,旋转对换热特性的影响随着流动的发展而增大     

复杂微通道内对流传热的场协同及熵产

利用场协同和熵产原理研究了针肋宽度、凹穴宽度及雷诺数(Re)对凹穴和针肋组合式微通道内对流传热特性的影响,分析了微结构强化传热的本质原因,并对微通道的综合性能进行了评价。结果表明,增大针肋和凹穴宽度能够显著减小传热协同角,提高流场和温度场的协同程度,有利于强化对流传热,但局部漩涡会使流动协同角减小,增大微通道压降;增大针肋宽度能够提高能量利用效率,从而强化传热,但同时导致流动熵产率增大;适当增大凹穴宽度能够减小传热熵产率,但凹穴宽度过大会导致传热不可逆性和流动摩擦均增大;综合考虑泵功、相对针肋宽度和相对凹穴宽度,提出了预测热阻的经验关联式;当相对针肋宽度为0.2,相对凹穴宽度为2时,微通道的热阻最小,综合性能最好。      

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。     

带前缘冲击的一体化加力支板内外耦合传热数值研究

以全气膜覆盖的一体化加力支板为研究对象,将冲击板布置于支板内腔中,研究气膜出流-前缘冲击复合冷却结构下一体化加力支板内外流气-固耦合传热特性。开展了不同主次流温比（2.24～2.76）、不同冲击间距（H/D=1,2.5,4）等参数对支板内外流动特性、内外壁面对流换热系数分布和支板综合冷却效率的影响规律分析。研究结果表明：冲击板结构改变了支板腔内冷气流动及各排气膜孔流量分配,随着冲击间距的增大,冲击腔内对应气膜孔冷气量依次下降2.68%,3.80%,7.14%;此外,冲击板结构增强了支板前缘内外壁面对流换热,其中对内壁面对流换热的强化更为显著,前缘冲击滞止线处对流换热系数提升幅度依次为298.3%,354.5%,271.9%;冲击板的存在提高了壁温分布均匀性,而整体平均综合冷效随冲击间距的增大而增大,分别提升1.64%,2.26%,2.62%;随着主次流温比的增大,支板的综合冷效减小,但是下降的趋势逐渐减小;在主次流流量不变的情况下,随着冲击间距的增大,主次流压比减小,相比无冲击板模型,其变化幅度依次为0.395%,0.012%,-0.650%。     

微阵列射流冲击肋化表面传热特性研究

本文以去离子水为工质,对微阵列射流冲击光滑和肋化表面的传热特性进行了实验研究,并以光滑表面传热性能为基准,讨论了肋化表面强化因子(ε)变化规律。实验结果表明：(1) 浸没和自由射流的传热系数均受无量纲射流距离(H/d)影响;提高射流Re数和减小无量纲孔间距(S/d)都能够增强换热。(2)浸没射流ε受H/d影响大,而自由射流ε基本不受H/d影响;两种射流方式的ε都随Re数增大,且渐趋于一个常数。(3)对流热阻在各种射流情况下均随流量不断下降,但下降趋势逐渐平缓,当流量大到一定时,热阻基本不再降低。     

双层壳型冲击/气膜结构内表面换热特性实验

以双层壳型冲击/气膜复合冷却结构的平壁模型作为研究对象,进行了该种结构典型冷却单元的放大模型实验研究。通过改变冲击Re数(10 000~40 000),冲击间距和冲击孔直径之比H/D(0.17~2.0),冲击孔和气膜孔间距与冲击孔直径之比P/D(0~5.0)等参数,利用热膜法研究了该典型冷却单元结构中内表面的换热特性。研究结果表明:参数Re,H/D,P/D对内表面局部换热系数的影响呈现出复杂的关联性。在本文的实验工况参数条件下,随着冲击Re数的增加,内表面换热效果逐步增强;并且存在一个最佳的H/D和P/D范围使得内表面换热效果最佳。综合分析实验结果,当H/D=0.67,P/D=3时,双层壳型冲击/气膜冷却结构内表面能达到最佳的换热效果。     

微尺度阵列射流冲击结构换热特性实验研究

为了研究真实发动机尺寸下带有长圆形扰流柱阵列射流冲击结构的换热特性,选取雷诺数Re范围为1000~10000,并保证与真实发动机工况相同的克努森数Kn条件下,进行了实验研究。扰流柱排布方式分为顺排和叉排,冲击孔径D=0.4mm,0.5mm,0.6mm,冲击距H/D=1,1.5,2,详细分析了几何参数对结构整体平均对流换热系数的影响。结果表明:扰流柱的排布方式对平均换热系数影响很小,原因在于长圆形扰流柱的导流作用强于扰流作用;相同雷诺数时,孔径减小,流量减小33%,换热系数最大下降幅度10%,小孔结构具有保持相同换热强度、减小流量的应用潜力;相同雷诺数时,换热系数随着冲击距的减小而增大。     

双层壳型涡轮叶片中冲击旋流换热增益效果试验

以双层壳型涡轮叶片内冷通道中旋流换热特性为研究对象,采用热膜法,对双层壳型冷却结构中的狭小受限通道中,旋流作用下换热特性的变化规律开展了细致的试验研究。重点分析了冷却空气的旋流作用对换热的强化增益效果。试验中通过改变冲击Re数(10 000～20 000),冲击间距和冲击孔直径之比H/D(0.35～1.7)等参数,研究了其对旋流的形成及内表面局部换热系数的影响规律。研究发现:由于双层壳型叶片内冷通道的空间受限,冷却空气在通道内形成了旋流结构,该旋流结构显著影响了内表面的局部换热系数并可以有效提高换热效果。研究结果表明:内表面局部换热系数对冲击间距和冲击孔直径之比H/D最为敏感,对于不同冲击Re数,存在一个最佳的H/D使得旋流换热增益效果达到最大(Re=10 000时,最佳H/D为0.95;Re=15 000,20 000,最佳H/D=0.63)。     

基于耦合传热的双脉冲发动机热防护层受热分析

针对双脉冲软隔层通道孔径对双脉冲发动机I脉冲燃烧室热防护层热环境的影响开展了数值仿真研究。对雷诺平均Navier-Strokes方程采用了双时间步LU-SGS迭代方法、AUSMPW迎风格式以及适合模拟分离流动的改进剪切应力输运(SST)湍流模型进行求解,通过保证流固耦合界面上的热流密度连续来实现耦合传热仿真。采用算例验证了算法及程序的精度和可信度。计算结果表明: I脉冲燃烧室热防护层表面的对流换热系数随软隔层通道孔径的增大而减小,最大对流换热系数平均减幅达20.3%,再附着点位置和对流换热系数最大值所在位置均向上游移动,分别平均移动24.2%和23.1%;I脉冲燃烧室热防护层表面的对流换热系数先增大后减小,且回流区内的对流换热系数相对较小,并在再附着点上游达到最大值。     

凹坑强化传热的研究进展回顾

基于涡流发生的凹坑强化换热是一种新型高效的强化换热和冷却技术,其主要特点是传热强度大,流动阻力小,综合传热性能高.通过近十年来凹坑强化换热研究工作的回顾,介绍凹坑壁面的换热阻力特性和涡流结构,并讨论凹坑形状、深度和雷诺数等参数的影响.通过介绍凹坑在旋转通道、圆管和冲击耙面等不同情况下的换热阻力特性,以及与肋等的综合传热性能对比,旨在说明凹坑是一种很具潜力的新型强化换热结构,具有十分广泛的应用前景.      

受限浸没射流阵列冲击针肋热沉的传热特性

以去离子水为工质,对受限浸没射流阵列冲击矩形针肋热沉的传热特性进行了实验研究.讨论了热沉几何参数和射流雷诺数对传热特性的影响规律.结果表明:针肋高度直接影响换热能力,但并非越高越好;热沉传热特性受针肋宽度与肋间距影响较大,Nu在0.625≤W/G≤1.000内呈塔型分布;Nu在2.5≤H/d≤10.0之间不断下降;S/d在3.00~4.50之间,Nu随S/d的增大单调递增,但Re增大到4000后,换热性能与S/d基本无关;S/d在4.50~7.00之间,Nu随S/d的增大单调递减;热沉的热阻随泵功的增大而降低,但变化渐趋平缓.      

微小交错流道散热块传热性能

实验研究微小交错流道散热块的传热性能以及热阻系数.随着Re数增加,交错流道与直通流道内流动换热性能均会升高,前者的变化更加显著,对流热阻系数与Re数接近指数关系;相同Re数条件下,交错流道对流热阻系数约比直通流道下降18%.散热块底面温度分布明显不一致,流体轴向温升对温度分布影响显著,温度在空间与时间上均有波动;预测交错流道在Re数为700左右开始发生流动转捩.      

S型泡沫金属管翅式换热器的设计与实验研究

为解决航空发动机部件热防护以及热管理问题,针对CCA(cooled cooling air)技术,采用高孔隙率泡沫金属替代传统管翅式换热器金属翅片,设计一种轻质、高效、紧凑的小尺寸S型泡沫金属管翅式换热器。换热器芯体为3D打印的钛合金制作,重129 g,由S型管束以及泡沫金属翅片组成,翅片安装在管束直管段处。流动传热实验模拟航空发动机机匣外部的空-油换热器,冷侧为水,热侧为高温空气,测定两侧流体的流量、进出口温度及压力。结果表明：泡沫金属作为换热器的翅片,传热系数增大43.94%、换热量提升21.7%、综合换热性能增加25.43%,功重比平均提升17.26%,可达14.61 kW/kg。这说明泡沫金属能够提升换热器的整体性能,可用于未来航空发动机相似结构换热器的设计。     

微尺度冲击冷却通道换热特性实验研究

为了研究真实发动机尺寸下冲击通道的流动与换热情况,选取冲击孔与气膜孔孔径均为D=0.3mm,0.4mm,0.5mm,冲击距H/D=2,2.5,3.0,孔间距P/D=5,10,雷诺数Re范围为1000~10000,保证与真实发动机工况相等的克努森数下,对不同结构微小冲击通道的整体换热情况进行分析比较。结果表明:在相同的雷诺数下,通道整体平均换热系数随着孔径的减小而增加,随着冲击距H/D的增加而减小,随着冲击孔间距P/D的增加而减小,并且拟合出了相关经验关系式。     

高阻塞比肋化通道对流换热特性实验研究

采用实验方法对高阻塞比肋化通道的对流换热特性进行了研究。实验的Re数为1400~4500,肋高(e)和通道水力直径(H)的比值(e/H)为0.2和0.33,肋间距(S)与肋高(e)的比值(S/e)为5,10和15。肋化通道中的肋有顺排和叉排两种排列形式。研究结果表明:(1)随着阻塞比和Re数的增加,对流换热系数逐渐增大,但相应的流动损失亦不断升高。(2)无论是顺排还是叉排肋化通道,在肋间距比分别为5,10和15三种情况下,间距比为10的对流换热系数和流阻损失均高于其它两种情况。(3)在实验几何参数范围内,顺排肋化通道的对流换热系数和流动压损均高于叉排通道。     

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.      

小空间内冲击/气膜复合冷却换热特性试验

利用相似理论的原理, 试验研究了封闭小空间内冲击/气膜复合冷却内表面的换热特性.研究中通过改变冲击Re数（1000040000）、冲击距离H和冲击孔直径D之比H/D（0.172.0）, 在2种冲击孔和气膜孔间距P和冲击孔直径D之比P/D（0, 1）条件下, 细致分析冲击Re数、H/D对复合冷却内表面局部换热特性的影响.结果表明, 在本文的试验工况中, 冲击靶板上的局部Nu数随着冲击Re的增加而不断变大, 而Nu数随着H/D的变化规律并非单调.当P/D=0, H/D=2时换热效果达到最佳;P/D=1时, 在X/D=±3范围内, 小冲击Re数条件下H/D=0.17和H/D=2的换热效果比较接近, 大冲击Re数条件下H/D=1和H/D=2的换热效果比较接近.      

斜向冲击强化换热特性试验

针对某型发动机主动间隙控制系统中典型冷却结构——45°斜向射流冲击,利用热膜法和红外热像仪测试技术,开展了局部强化冷却特性试验研究,分析了冲击雷诺数Re(33297～83242)、斜向冲击间距比H/d (2～6)等参数对冲击靶板表面局部换热特性参数Nu及Nu的影响.试验中发现位于驻点处和下游附驻点区出现了两个Nu峰值,当冲击Re较大、斜向冲击间距比H/d较小时,该现象尤为突出.试验结果表明:随着冲击Re的增大,靶板局部强化换热效果显著提升,Nu和Nu均显著增强;随着H/d的减小,驻点区域局部强化换热效果逐步提升,但增加幅度微弱;而在远离驻点区域,特别是在第二个峰值位置,冲击间距减小使得冲击强化换热效果明显增强.