压电驱动自耦合射流冲击冷却特性的实验

利用热线风速仪测量了二维狭缝自耦合射流的速度和湍流度变化,获得了激发器输入电压、频率对自耦合射流的影响规律,获得了激发器的最佳激励电压和频率值;并将自耦合射流应用于冲击换热,通过红外热像仪得到了不同加热功率下加热靶板对流换热系数分布。实验结果表明:(1)在冲击间距比小于20时,射流处于发展区内,冲击冷却效果较差;(2)冲击间距比大于20以后,射流完全形成并趋于稳定后,冲击靶板的换热效果较好;(3)但由于射流速度随着距离增大而衰减,换热效果在冲击间距比为80时达到最佳。      

阵列射流-扰流柱复合冷却结构换热和压降特性数值研究

为研究阵列射流-扰流柱耦合换热结构对热端部件综合冷却效果的影响,采用数值模拟方法研究了阵列射流-扰流柱复合冷却结构的流动换热特性,重点关注扰流柱相对于射流孔的布置方式(顺排和叉排)、扰流柱直径d_p相对于射流孔的直径d_j之比(d_p/d_j=0.5,1,2)的影响。为体现阵列射流-扰流柱复合冷却结构的导热-对流强耦合传热过程特征,引入了靶板加热侧当量对流换热系数的概念,并分别采用冲击靶面对流换热系数和靶板加热侧当量对流换热系数进行了综合性能的评价分析。研究结果表明,采用绕流柱顺排和叉排方式的冲击靶面对流换热相较于光滑靶板分别增加约30%和10%,而扰流柱相对于射流孔呈顺排方式的对流换热效果要优于叉排方式,同时,顺排方式的压力损失系数却低于叉排方式。至于扰流柱相对于射流孔的直径比的影响,基于冲击靶面和靶板加热侧对流换热系数的综合性能评价存在显著的差异。     

过热蒸汽射流冷却叶片热耦合数值模拟

在对射流冷却平板模型和射流冷却凹板模型数值模拟的基础上,设计了射流冲击冷却式蒸汽冷却叶片,并对其进行了热耦合数值模拟.通过改变平板和凹板的进口雷诺数,射流孔与靶板间距和凹板曲率,对靶板的冷却传热进行了对比研究,得到传热量与各个参数的变化规律.然后根据上面得到的变化规律设计出射流冲击冷却式蒸汽冷却叶片,应用ANSYS CFX 10.0数值程序,对冲击冷却的流动和传热过程进行了三维热耦合数值模拟,得到叶片表面温度和对流换热系数分布.      

延伸冲击孔冲击冷却流动与换热特性的数值研究

采用数值模拟方法研究了延伸冲击孔冲击冷却系统的冷却特性,分析了3个冲击雷诺数和5个冲击孔延伸长度对冲击腔内流动与换热特性的影响,给出了靶面努塞尔数分布、靶面压力分布、中心截面流速与综合换热性能的变化。结果表明：延伸冲击孔可以有效地防止横流对冲击射流的偏转作用,同时使射流出口更加贴近冲击靶面壁面,冲击速度更高,可以明显提高靶面的换热系数,并使整个靶面上的换热系数分布也更加均匀。冲击冷却的冷却性能随着冲击孔延伸长度的增加而增加,相较于传统冲击冷却（baseline）,在L/d=2.5时靶面平均努塞尔数提升达15%以上,但压力损失也相对较高;对比不同延伸长度冲击孔的综合换热性能,发现存在最佳的L/d取值范围使冲击冷却系统获得最佳的综合冷却性能。在本研究范围内,最佳的L/d= 2.5。     

冠齿喷嘴射流冲击平直靶面对流换热实验

利用红外热像仪测试了冠齿喷嘴射流冲击平直靶面的对流换热特性,在射流雷诺数为5 000~20 000、冲击间距比为1~8范围内,与普通圆管射流进行了对比,并对冠齿数和冠齿长度的影响进行了初步分析。研究结果表明,冠齿射流冲击对流换热显著高于圆形射流,在小冲击间距下,冠齿射流冲击的局部对流换热系数分布在冲击驻点附近呈现明显的梅花瓣状特征,当射流冲击间距比达到4以后,冠齿射流的局部对流换热系数分布则呈现出常规圆形射流冲击的特征;以2倍或4倍射流直径作为区域平均范围,冠齿射流的区域平均努塞尔数相对圆形射流的增加幅度在15%~30%之间,相对增加幅度与射流雷诺数和射流冲击间距比相关;在本文的冠齿结构参数范围内,冠齿伸出长径比为0.6的6-冠齿结构取得的射流冲击强化传热效果较优。     

叶尖间隙控制系统中横流效应的试验研究

为了研究带初始横流冷却管式阵列射流冲击换热特性,以基于机匣热变形控制的叶尖间隙控制系统为对象,试验研究了机匣外置多排冷却空气管结构中,初始横流雷诺数(0～8×104)对射流冲击机匣表面换热特性的影响。研究中发现,相比横流雷诺数,冲击雷诺数对靶面平均换热系数的影响更大,平均换热系数随着冲击雷诺数的增加显著提高。初始横流的加入,冲击滞止区发生了沿初始横流流向的偏移,削弱了靶面的冲击换热效果,局部换热数的峰值呈现出先减小后增加的规律。研究结果表明,当横流雷诺数超过4×104后,冲击滞止区下游出现一个"鱼尾形"的换热强化区域,且随着横流雷诺数增加,该鱼尾状区域范围逐步增大,靶面换热效果得到一定程度的提升。冲击孔间距越小,靶面局部和平均换热系数越大,此时横流的影响相对较小,在本文研究参数范围内,冲击孔间距比为4时,会获得更好的换热效果。     

斜射流梯形腔内靶面的冲击冷却换热特性实验研究

为了深入了解冲击冷却在涡轮叶片前缘的应用效果,建立了其附近梯形内冷通道的放大模型,对冲击冷却进行试验研究,测量腔内流场和壁面换热特性,在已掌握流动结构的基础上进行换热分析,更好地理解此类受限通道内冲击冷却的强化换热机理,为更高效的内冷通道设计提供参考。使用热电偶对通道靶面温度进行了详细测量,研究射流角度、横流和射流雷诺数对靶面换热努塞尔数的影响规律。结果表明:较低位置射流对靶面具有较强的冲击作用,而较高位置射流未对靶面形成冲击;射流入射角度的增加会提高较低位置射流在靶面上的冲击换热能力,对较高位置射流的换热没有明显影响;较强的横流将严重削弱靶面冲击区的换热能力,射流雷诺数的增加将大幅提高整个靶面上的换热能力;换热试验结果与前期研究的流场分析结论非常一致。     

自耦合射流流动特性的PIV实验研究

采用三维粒子图像测速仪(PIV)对具有相同出口面积的圆孔喷口和狭缝喷口自耦合射流激发器外部流场特征进行了实验研究.结果表明:狭缝喷口自耦合射流与圆孔喷口自耦合射流的形成过程相同,都经历了涡环产生、发展、破碎融合的周期性过程,在某个法向距离上形成较为稳定的连续性射流.时均流场分布表明狭缝喷口自耦合射流的流场型面较宽,扩展角度较大.狭缝短轴方向和圆孔水平方向上自耦合射流的时均速度曲线呈现规则的对称分布和速度自模的特征,而狭缝长轴方向自耦合射流在靠近喷口处的速度分布呈现马鞍状,这一特征随着法向距离增大而逐渐消失.      

冠齿喷管射流冲击半圆形靶面的对流换热

针对具有相同相对曲率（d/D=0.1）的凹形和凸形半圆柱靶面,在典型的雷诺数（Re=5 000~12 000）和无因次冲击距离（H/d=1~8）下进行了射流冲击对流换热的实验研究,同时在特定的射流雷诺数下进行了射流冲击大涡模拟分析,以揭示冠齿喷管在不同形状靶面上的强化传热作用机制。研究结果表明：射流喷管和靶面形状对于射流驻点附近的流场和对流换热具有显著的影响,冠齿喷管出口诱导的流向涡改变了圆形射流发展中的轴对称环形涡内在特征,无论是凹形还是凸形靶面,冠齿喷管相对于圆形喷管都体现出一定的强化射流传热效果;与凸形靶面相比,射流冲击凹形靶面受到凹腔内部的回流影响,导致冠齿喷管射流冲击对流换热的降低。     

双层壁冷却结构中多排射流冲击冷却的换热和流阻特性

采用稳态热敏液晶技术对双层壁冷却结构中的多排（包括顺排和叉排）射流冲击冷却结构进行了风洞实验,同时结合数值模拟的方法,对两种射流冲击冷却结构的传热和流阻特性的差异进行了研究。实验结果表明:流量系数和冲击靶板上的努塞尔数均随着雷诺数的增大而增大,而冲击孔的排布方式对面平均努塞尔数的影响较小,但是叉排结构的流量系数高于顺排结构,且冲击靶板上换热更加均匀。数值结果显示冲击靶板中心区域的流量分配和换热均随着冲击距离的增大而增大;而在下游区域内恰好与之相反。      

冲击冷却局部换热特性的实验研究

木文研究了用单排圆射流冲出冷却的方法来模拟涡轮叶片前缘的局部换热特性。通过对大量实验数据的分析研究,发现局部换热系数的分布曲线是一个分段函数:驻点区为高斯分布函数,壁射流区为幂函数分布。文中还分析了射流雷诺数、射流孔与试验靶之间的无因次距离、冲击管和试验靶的无因次结构尺寸等对局部换热系数及其分布的影响。最后,用最小二乘法整理出一组描述冲击冷却局部换热特性的经验公式。这些公式对冲击冷却叶片的设计具有一定的工程实用参考价值。      

短距冲击流动下的流型及换热

本文阐述了短距冲击情况下各种流型及相应的各种局部换热特性。对于二维缝射流 ,冲击流流型及局部换热特性显著地受射流紊度的发展程度、靶面对射流的反影响以及高射流速度下压缩性等因素的影响 ,靶面上局部换热的多峰分布取决于这些因素的发展。而对于圆射流排 ,除上述因素外 ,尚有射流三维性质的影响 ,在短冲击距下流动的三维性导致驻点线两侧局部换热有比二维缝射流更陡峭得多的下降速度。     

脉冲射流冲击平直表面的对流换热实验

利用红外热像仪测试了脉冲频率为10 Hz和占空比为50%的脉冲射流冲击平直表面的对流换热特性,在射流雷诺数为5 000~20 000、冲击间距比为2~8的范围内,与连续射流冲击换热进行了对比分析。研究结果表明,脉冲射流冲击对流换热系数依然具有随射流雷诺数增加而提高、沿径向急剧降低等基本特征,但是与连续射流相比,脉冲射流冲击引起的射流驻点和壁面射流区的对流换热存在差异,其影响与射流雷诺数和射流冲击间距密切相关;一般而言,在较大的射流冲击间距比下,脉冲射流体现出传热增强的效果,随着射流雷诺数的增加,脉冲射流较连续射流的优势更为明显;而在小射流冲击间距比下,连续射流则更具优势,在Re=20 000下仅当以3倍以上射流管直径作为区域半径进行平均时,脉冲射流才具有略高于连续射流冲击换热的作用效果。     

活塞驱动合成喷流动和传热特性

为了揭示合成喷冲击冷却的内在机制和作用效果,采用数值计算和实验方法分别对活塞驱动合成喷的流动特征和冲击靶板的对流换热特征进行了研究。结果表明,在活塞低频往复驱动条件下,活塞往复频率和活塞振幅的加大导致合成喷的穿透距离增大。与常规连续射流冲击冷却相比,合成喷冲击作用下的靶面对流换热系数同样具有随着冲击间距增大而先逐渐增大、后逐渐衰减的变化趋势,但最佳冲击间距值却明显高于常规射流,而且合成喷对冲击靶板的作用范围有所扩大,表明合成喷具有强的夹带能力和穿透能力。     

带气膜孔出流和侧向出流的冲击换热实验

采用热色液晶瞬态测量技术测量了阵列孔冲击靶面的局部传热系数,获得了冲击雷诺数为5000,10000,15000,20000时侧向出流比(侧向出流质量流量与主流质量流量之比)为0,0.25,0.4,0.6,0.8,1时的靶面传热系数分布规律.结果表明:靶面的传热系数均随雷诺数的升高而升高;靶面上冲击驻点区域传热系数最大,气膜孔区域传热系数较高.靶面的平均传热系数随侧向出流比的增加而减小,侧向出流比较小时,靶面的平均传热系数下降幅度不大,较大时靶面的平均传热系数下降相对较明显.      

出流方式对阵列冲击换热的影响

采用瞬态液晶技术测量了阵列冲击靶面的局部传热系数.获得了冲击雷诺数为5 000,10 000,15 000,20 000,25 000时三种不同出流方式时的靶面传热系数分布规律.结果表明:双侧出流时,靶面的平均传热系数比单侧出流要高;不同方式的单侧出流,由于产生的横流强弱作用不同,所以靶面的平均传热系数也有所不同.不同出流方式时,靶面的局部传热系数均随冲击雷诺数的升高而升高.      

窄通道内冲击冷却局部换热特性的瞬态液晶测量

 为了深入了解涡轮叶片中冲击窄通道内的换热特性,采用热色液晶瞬态测量技术测量了冲击窄通道内全表面换热系数,获得了不同冲击雷诺数Re、相对冲击孔间距S/d以及有无气膜孔出流时通道内各表面的换热系数分布规律。结果表明：冲击通道内各个面的换热系数均随雷诺数的增加而增加,其中冲击靶面的平均换热系数最大,在雷诺数较大时,冲击面的平均换热系数要比冲击侧面的大;气膜孔出流和相对冲击孔间距增大均会使冲击侧面和冲击面的平均换热系数明显减小,而对冲击靶面平均换热系数的影响却较小;各个面上受气流直接冲击的区域换热系数最大,同时冲击孔和气膜孔附近区域的换热系数也很大。     

层板结构内部换热特性的研究

 在已研究流阻特性的基础上,通过改变扰流柱柱高、柱形,对两种类型结构的层板进行内表面换热系数的测量、分析。层板内表面上的换热系数随冲击距离的减小而增大,随冲击孔间距的增大而减小。方形扰流柱的换热情况要稍好于菱形扰流柱、圆形扰流柱,并且柱子高低对流场影响很大,尤其是C 型绕流方案。基于换热体积和换热面积之比特性尺寸的努谢特数与冲击雷诺数之间成对数线性关系,并整理出准则关系。     

基于瞬态液晶全表面测量技术的圆柱形孔气膜冷却特性研究

采用瞬态液晶测量技术测量了圆柱形孔的冷却特性分布,研究了动量比的影响.结果表明:大动量比下,射流脱离壁面后重新贴回壁面,冷却效率沿流向率逐渐升高,且下游孔间区域的冷却效率较高;小动量比的冷却效率分布规律与此相反.动量比越大,换热增强效果越显著;在上游区域,大动量比射流诱导出的回流涡形成了一个局部强换热区;在下游区域,各个动量比的传热系数比分布比较相似,两孔中间区域的换热强于孔中心线附近区域.