毫米级超高转速盘表面传热系数瞬态测量方法

在超微型涡轮喷气发动机中,转子系统尺寸可小至毫米级,为保证一定的功率输出,转子的转速需高达上百万转。对于该类型发动机中毫米级超高转速旋转盘表面换热特性的研究,无法布置常规手段的热电偶或热流计,表面传热系数测量异常困难。针对这一问题,提出基于集总参数法原理的旋转盘表面传热系数测量方法,即使用红外测温技术,获得转盘表面在不同时刻的温度,通过瞬态导热的集总参数法得到转盘表面的表面传热系数。结果显示:该方法与理论解误差随着旋转雷诺数的增高逐渐减小,最大误差小于13%,表明该方法在测量毫米级超高速旋转盘表面传热系数上是可行的。     

二维气动问题中Kriging代理模型精度影响因素

以二维跨声速临界翼型的阻力特性为对象,探讨样本点数目、Kriging代理模型参数及其类型等对模型精度的影响.阻力系数采用计算流体力学（CFD）方法得到.模型精度的验证采用交叉验证方法,采用平均误差、最大误差和标准交叉验证残差来衡量Kriging代理模型的精度.研究结果表明:①Kriging代理模型预测气动阻力效果较好.②模型精度随样本点的增多而提高,剔除与样本点响应趋势不相符的“奇异点”后,模型精度显著提高,平均误差减小5%~38%,最大误差减小13%~77%.③核函数类型对模型精度的影响最大,相关参数次之,回归模型的影响最小.采用高斯相关函数、2阶多项式回归模型,以及合适的相关参数值时,Kriging代理模型的精度最高.      

基于雷诺平均Navier-Stokes方程的表面传热系数计算

采用有限体积法数值求解控制二维绕流的雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程组,计算了光滑和粗糙NACA0012翼型以及圆柱表面的局部表面传热系数.分析了近壁面网格间距、湍流模式和表面粗糙度模型对数值计算结果的影响.结果表明:切应力输运(SST)湍流模型能够区分层流和湍流边界层的对流传热特性,并能预测转捩的发生;采用Spalart-Allmaras(S-A) 扩展模型能够计算粗糙壁面的对流传热系数,但采用忽略转捩函数的S-A模型不能有效计算层流边界层的传热系数.当近壁面网格间距接近10-5量级的黏性子层时,在光滑和粗糙壁面都能得到准确的传热系数分布.结合合适的近壁面网格间距,湍流模式和表面粗糙度模型可以得到与实验数据十分接近的表面传热系数曲线.通过与求解不可压缩RANS方程得到的结果比较后发现,不可压缩RANS方程主要忽略了压缩和黏性耗散效应,这种效应可以通过绝热升温项的形式并入总体热分析.      

旋转桨叶表面压力反演试验

为了验证旋转桨叶表面压力的反演计算方法，搭建了旋转桨叶表面压力反演试验平台，对一套二叶螺旋桨的表面压力开展了反演试验。通过传声器阵列测量螺旋桨的远场噪声，利用Kulite压力传感器和离线式采集器测量桨叶表面的静压，并与计算结果进行对比。结果表明：在所研究的工况范围内，计算结果与试验结果吻合较好，趋势基本一致；其中两个测点的试验结果与计算结果误差在1%以内，精度很高；另两个测点的对比差值较大，主要是压力传感器安装工艺误差所导致的。     

考虑流固耦合效应的航空发动机风扇叶片应力数值模拟与试验测量研究

航空发动机风扇转子在高压比、高转速、高负荷的级环境中工作时,存在叶片固体域与流体域之间强烈的耦合作用。针对风扇工作中的流固耦合问题,采用基于流固耦合的数值模拟方法对风扇叶片的结构特性进行模拟,研究考虑流固耦合效应前后叶片结构特性的变化。通过风扇转子加减速试验测量叶片表面测点应力变化,并将数值模拟与试验测量结果进行了对比分析。分析结果表明：考虑流固耦合效应后叶片表面的受力情况变化较大,导致叶片表面的应力与变形分布产生较大的变化;仅考虑离心力作用的计算方法得到的应力值与试验测量值误差最大达到50%,而考虑流固耦合效应的计算值误差在10%左右;考虑叶片流固耦合效应得到的应力分布更满足实际工程应力与强度分析要求。     

类乘波体防热壁板气动加热-温度场耦合特性分析

针对类乘波体防热壁板,采用松耦合算法推进气动热和传热迭代计算,研究气动加热-温度场的耦合特性.结果表明:在壁板达到辐射平衡前,冷壁热流和辐射平衡热流与真实气动加热的误差分别达+55.1%和-15.4%以上,必须将气动加热和温度场进行耦合分析;当地绝热壁面温度不随时间变化,表面传热系数是耦合效应的关键参数;采用平均表面传热系数进行瞬态气动加热-温度场耦合计算只进行2次气动加热计算,壁面温度预测误差在2.5%以内,可有效提高气动加热-温度场耦合计算的效率.      

高层建筑二维风致响应实测中测点的优化布置方法

对高层建筑二维风致响应实测中测点的优化布置方法进行了研究。研究了在二维风致响应条件下测点优化布置的适应度函数,并且应用最优化计算方法来寻找的测点最优或接近优化布置。还通过一个高层建筑风致响应测试的实例,说明了具体的应用方法,实际计算表明用该方法布置测点所测得的结构风致响应结果有相当高的精度。     

航空发动机热电偶传感器稳态测温偏差分析

为了满足航空发动机上高温、高压、高来流马赫数的恶劣工作环境下的使用需求，对某型航空发动机上选用的低压涡轮后热电偶传感器开展热风洞校准试验及测温准确性分析,明确热电偶传感器测温偏差的影响因素，并通过一种基于表面传热系数推导公式的测温偏差修正方法对校准结果进行计算验证，结果表明，计算方法合理可行，计算结果与测量结果一致性良好，在全部试验点偏差量均小于0.6%。针对现有校准设备无法完全模拟航空发动机真实工况的问题，对校准结果进行修正计算，修正计算结果与真实气流温度偏差在0.7%以内，传感器的稳态测温偏差能够满足在该型航空发动机上的使用需求。     

轴向磁通磁场调制型电机的解析分析

提出了一种新型二维解析分析方法用于计算轴向磁通磁场调制型电机的气隙磁场分布和电机特性。对电机每个子域列出拉普拉斯方程或泊松方程并结合边界条件,求解出每个子域的矢量磁位,进而得到气隙磁场分布、空载反电势、电磁转矩和轴向磁拉力的解析表达式。为了评估解析方法的计算精度,对二维解析分析结果和三维有限元仿真结果进行了比较,结果表明二维解析计算结果的计算误差在10.3%以内。由于解析分析在保证计算精度的前提下大大缩短了计算时间,因此该方法适用于轴向磁通磁场调制型电机初始设计阶段电机参数的确定。     

涡轮叶冠换热特性实验与数值模拟

利用数值模拟及实验方法对涡轮叶冠间隙流场换热特性进行了研究,分析静止状态下叶尖泄漏流雷诺数、前后孔岀流比、叶尖间隙等参数对叶冠的表面传热系数的影响.结果表明:叶冠转速的变化对表面传热系数影响较小;随着泄漏流雷诺数的增加,叶冠的平均表面传热系数增大;平均表面传热系数随前、后孔岀流比增大而增大,其中前孔出流比的影响较为明显;叶尖间隙减小,平均表面传热系数增大,并且随叶尖间隙的减小,增长越来越快.将计算与实验结果进行了比较,吻合良好,误差小于10%.      

高位垂直进气旋转盘流动与换热的实验研究

本文用实验的方法对高位垂直进气转静系旋转盘附近冷气流动与换热特性进行了实验研究, 得到了静盘表面压力、转盘表面温度、局部努赛尔特数的分布及平均努赛尔特数, 并对结果进行了相应的分析。      

径向进气旋转盘腔换热特性试验研究

为分析流量系数和旋转雷诺数对径向进气旋转盘换热效果的影响,采用试验方法对径向进气旋转盘腔的换热特性进行了研究。通过测试不同工况下的旋转盘表面温度,获得了局部努赛尔数分布和平均努赛尔数的变化规律。试验结果表明:由于径向进气旋转盘腔内流动复杂,旋转盘面局部对流换热系数受流动影响出现多头分布的规律;同时,随着旋转雷诺数和流量系数的增大,转盘的平均努赛尔数增大,平均换热效果增强。     

旋转受限层板中隔板对层板流动换热的影响

采用数值模拟的方法,研究了旋转受限层板结构中隔板对层板中冷却气体流动换热的影响机理.结果表明:隔板结构能够有效地提高层板的换热能力,旋转受限层板比不受限横流冲击层板的Nu高18%,比不受限横流冲击出流层板的Nu高15%.隔板导热条件下比绝热条件下的层板的Nu提高10%~15%.在旋转受限层板中,冲击孔靠近旋转中心一侧换热能力随着旋转数的增加而降低,冲击孔远离旋转中心一侧换热能力随着旋转数的增加而增加.旋转的加入,可以有效地降低靶面上由于隔板的加入而导致的高温区的温度,旋转受限层板更适用于涡轮动叶.     

工件淬火过程表面综合换热系数的测算

表面换热系数是温度场计算中一个重要参数,它的取值将直接影响到温度场计算的精度。为了得到表面换热系数与温度变化的关系,采用非线性估算法,编制计算程序,基于工件淬火过程的实测温度值,对工件在不同淬火介质中冷却过程的表面换热系数值随温度的变化进行了测算,得出了换热系数在冷却过程不同阶段的变化规律。     

局部规则涂层对气冷叶片测温影响的数值研究

为研究微细热电偶测温安装涂层对其测量精度的影响机理,基于气固耦合传热(CHT)方法,建立了接近真实气膜冷却叶片的三维模型,选择SST(shear stress transport) γ -θ湍流模型,对未喷涂氧化铝涂层与在叶片吸力面前缘、压力面前缘、压力面尾缘处喷涂氧化铝涂层后的气冷叶片表面温度进行数值研究。无涂层工况的数值计算结果与实验结果误差控制在5%以下,验证了数值方法的有效性。研究结果表明:涂层对近壁面燃气的流动特性产生显著影响;三种有涂层工况的数值计算结果表明,压力面前缘处比吸力面前缘处温差波幅小,且比压力面尾缘处测温误差降低35.5%;在压力面及吸力面前缘处,最佳测温区域为涂层中部至下端之间的部位,而在压力面尾缘处,最佳测温区域尽量选择靠近涂层上端部位。      

Development and calibration of heat transfer coefficient sensor for rotational state

A novel heat transfer coefficient sensor is introduced and the design, manufacture,and calibration are described.The intended application of this instrument was on a high rotational speed test disc. In the experiments,the heat transfer coefficient sensor was calibrated under static state and rotational state respectively. The calibration under the static state was accomplished in a pipe: the inside diameter (ID) was 0.048m and the total length was 4m, the distance between the sensor and the inlet of the pipe was 3.5m; the standard value was measured using a self-made calibrator. The calibration under the rotational state was accomplished using a rotating disc: the diameter and thickness of the stainless disc were 800mm and 25mm, respectively;the sensor was installed at the location of r =250mm; the rotating disc driven by a 30kW direct current motor can supply the maximum rotational speed of 3000r/min. The standard value under rotational state was provided by an approximate empirical formula. The results show that the designed sensor can measure heat transfer coefficient directly under rotational state and static state with good accuracy and stability; the correlation factor of K are constant under static state and rotational state.      

旋转封闭循环小通道内液态金属热驱动换热特性研究

高速旋转条件下,封闭循环小通道内的流体(热驱动介质)在浮升力的作用下会产生热驱动运动,将热量不断的从高温端携带至冷却端释放。本文通过数值模拟的方法,研究了离心力场下封闭循环小通道中,不同性质流体的流动和换热特性。重点分析了以液态金属锂、钠和钠钾合金为热驱动介质时,热驱动运动的换热特性Nu随Bu和Ro两个参数的变化规律。研究中发现在一定的Bu数变化范围内,以液态金属锂、钠以及钠钾合金为热驱动介质所得到的Nu均随Ro数的增大而减小;当Ro数相同时,Nu随Bu数的增加而变大。研究结果表明高转速,低加热量时,采用液态钠钾合金为热驱动介质可以得到最好的热驱动换热效果;在高转速,高加热量时以液态锂为热驱动介质时,热驱动换热能力最强。      

层板冷却涡轮叶片前缘内部流动与传热特性实验

基于相似理论,对简化的层板冷却涡轮叶片前缘放大模型内部的流动与传热特性进行实验研究,对比了无绕流柱和带菱形扰流柱两种实验模型的流动阻力系数、靶面温度和表面传热系数的分布.实验中采用红外热像技术测量换热面的温度,采用ANSYS软件计算换热面的局部热流密度.结果表明:两种模型的流动阻力随进气雷诺数逐渐增大,带菱形扰流柱模型的流动阻力总体上较大;靶面局部表面传热系数的分布特征基本相同,带菱形扰流柱模型的局部表面传热系数比无扰流柱模型的稍高;靶面平均表面传热系数的差别很小,相同进气雷诺数下带菱形扰流柱模型的平均表面传热系数值最多大7%.      

瞬态法测量高转速旋转盘表面传热系数

将实际发动机涡轮盘冷却系统简化为中心进气旋转盘,用瞬态实验的方法对该结构的换热特性进行了研究.以高转速旋转换热实验台为基础,建立了转静系盘腔中瞬态换热的实验流程和数据处理方法,得到了转盘表面的努塞尔数,并研究了流量系数、旋转雷诺数和出气间隙比对努塞尔数的影响.研究结果表明:对于中心进气冷却结构,在转盘低半径处,转盘表面的表面传热主要由冷气冲击控制,随着半径的的增大冲击对换热的影响减弱.转盘表面的努塞尔数随冷气流量系数的增大而增大,随旋转雷诺数的增大而增大,随出气间隙比的增大而减小.      

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。