微尘沉积形貌对冲击气膜冷却结构换热特性影响的数值研究

带有微尘的空气进入航空发动机,极易在涡轮叶片内冷通道发生沉积。为探究微尘沉积形貌对涡轮叶片内冷通道换热特性的影响,选取冲击气膜冷却结构,基于微尘沉积实验结果,构造微尘沉积形貌,由锥状突起和环状突起组成,通过数值模拟获得不同射流雷诺数下冲击靶面努塞尔数Nu。研究结果表明,冲击靶面微尘沉积层的出现,将大幅降低浸润面积平均努塞尔数Nuwetted,而对映射面积平均努塞尔数Nuavg影响较小;冲击驻点周围的高换热区范围减少;相邻冲击孔中点附近的高换热区努塞尔数Nu增大;此外,射流雷诺数的增大整体上提高了冲击靶面的换热强度。由于锥状突起和环状突起的扰动作用, 壁面附近回流涡增多, 使得冲击靶面大部分区域温度边界层厚度增加,因此换热性能降低。     

热载与进口气流条件对柱肋通道换热的影响

目前关于燃气涡轮叶片冷却的实验研究多数是在常温常压进口气流和低壁温条件下进行的,而实际燃气涡轮叶片的冷却气流为来自于压气机的高温高压空气,且涡轮叶片壁面热载（定义为加热壁面壁温与冷却气流进口温度之比）很高。为了掌握热载与进口气流条件对于涡轮叶片尾缘内部冷却通道的冷却效果的影响,本文在考虑空气物性随温度变化的情况下,采用数值模拟方法进行了相关的计算和分析。计算选取了两种进口气流条件（常温常压、高温高压）,热载为1.1-1.9,进口气流雷诺数为5×103-1×105。计算结果表明,进口气流雷诺数一定的情况下,随着热载的增大,通道内换热能力降低,流动阻力系数增大;与常温常压进口气流条件相比,高温高压进口气流条件导致通道努塞尔数降低,并且努塞尔数在高热载条件的降低更为显著;在进口气流雷诺数为60000的条件下,高温高压进口气流、热载为1.9的条件下通道的努塞尔数比与常温常压进口气流条件、热载为1.1条件下通道的努塞尔数降低了15.8%,且随着进口气流雷诺数的提高,通道换热的削弱程度进一步增大。本文的研究表明,涡轮叶片的冷却设计必须考虑叶片冷却的实际条件,并对实验数据结果进行合理修正。     

扇形与平面叶栅内高负荷叶片的换热特性实验研究

为了探究扇形与平面叶栅条件下,高负荷叶片的外换热特性,采用瞬态液晶测量技术,测量了雷诺数(Re)、湍流强度(Tu)对扇形叶栅(曲端壁)的小展弦比高负荷涡轮叶片表面努塞尔数(Nu)的影响,并与平面叶栅(直端壁)进行了对比。结果表明,曲端壁相较于直端壁增加了21.5°的径向进气角以及上下端壁曲率不同,从而导致换热沿叶高的不对称分布。雷诺数增大,叶片各位置的换热明显增强,吸力面边界层转捩点位置不断向前缘靠近,雷诺数对直端壁的影响大于曲端壁。随湍流强度增大,努塞尔数整体有所升高,吸力面转捩点位置前移,压力面过渡现象明显增强,中弦部分努塞尔数一维特性更为明显,湍流强度对两类端壁的叶片影响类似。在研究低雷诺数或湍流强度对高负荷叶片的换热影响时,可采用直端壁进行简化,而在高雷诺数时,为了保证结果准确性,需在发动机实际扇形叶栅中进行实验。     

多项式温度分布下的自由盘湍流换热数值研究

在航空燃气涡轮发动机的二次流空气系统中,涡轮盘腔的流动和换热问题具有复杂的热边界条件,其流场和换热特性对发动机的设计具有重要作用。基于单项式和多项式边界条件下的自由盘的湍流流动换热模型,应用FLUENT进行数值研究。通过与理论值的对比,验证了使用Relizible k-ε湍流模型用于研究自由盘面上湍流的适用性。研究发现,对于不可压的湍流,盘面的局部努塞尔数受温度分布的控制,盘面温度为任意n次多项式分布下的局部努塞尔数可由盘面温度按0-n次单项式分布时的结果导出。     

流量比对高位预旋进气涡轮转静盘腔换热影响的数值研究

为提高冷气与涡轮盘的换热效果,针对高位预旋30°进气的转静腔耦合涡轮盘系统进行了数值模拟,研究了不同转静腔入口流量比率和转速对系统换热效果的影响,并对涡轮盘壁面平均努塞尔数(-Nu)、盘体最高温度、盘体温度均匀性进行了分析.结果表明:转速为1×104r/min时,随着转静腔1和2的入口流量比率P从1增加到6,左壁面(-...     

轴向通流旋转盘腔换热特性

针对航空发动机压气机盘腔中流动与换热现象,采用该实验的方法对等温轴向通流旋转盘腔进行研究。通过对比不同工况下局部努塞尔数和平均努塞尔数的变化情况分析旋转腔中各力对流动与换热的影响,并总结努塞尔数与各无变量参数的经验公式。结果表明:盘腔内流动与换热主要由哥氏力、惯性力与离心力控制。腔内流动区域可划分为低半径位置惯性力占主导地位的惯性对流区与高半径位置哥氏力占主导地位的旋转对流区。轴向通流流量增大使惯性力增大,转速增高使哥氏力增大。惯性力与哥氏力的增加都会增强换热,两个力对彼此对换热的影响有削弱作用,两个力的综合作用使不同工况中不同半径位置的换热变化情况不同。平均努塞尔数与局部努塞尔数随变量的变化情况基本一致。      

有无内部对流换热对导叶冷却效果影响的数值研究

根据导向叶片的曲面结构,运用剪应力输运方程(SST)湍流模型,在不同冷气入口压力条件下,对涡轮叶栅通道内部的三维流场和圆形气膜孔叶片型面的冷却效果进行了数值模拟.计算针对两种情形,即叶片内部有对流换热的情形和无对流换热的情形,结果表明随着冷气入口压力的增加,叶片有无内部对流换热的冷却效果也在增加;有内部对流换热的冷却效果较纯气膜冷却的高,尤其是在叶片前缘.      

涡轮叶片内部沿周边分布的竹节孔换热特性

根据发动机涡轮叶片内部沿周边分布的竹节孔冷却通道结构建立了简化的传热分析模型.首先通过无量纲分析得到了竹节孔的平均努塞尔数不仅与雷诺数和普朗特数有关,还与"竹节"形状、通道外壁形状以及流体和固体的导热系数比等参数有关.然后,对雷诺数和冷却通道几何参数对竹节孔平均努塞尔数的影响进行了数值模拟研究,计算并对比了上述参数对平均努塞尔数的影响规律,结果表明:①"竹节"结构使平均努塞尔数显著增大,而通道外壁形状主要影响了局部热流密度和局部努塞尔数的分布情况;②随着"竹节"的节高/孔径比的增加,平均努塞尔数单调增大,阻力系数也随之增大;③可通过增大雷诺数和优化节距/节高比来提高竹节孔的平均努塞尔数,计算表明最佳节距/节高比约为10.      

涡轮动叶表面换热特性的试验研究

航空发动机性能的提高对涡轮叶片耐热极限提出了更高的要求,为了更准确地分析涡轮叶片的传热特性,选取某型气冷涡轮动叶10%、50%和90%叶高的特征型面通过低导热光敏树脂材料经过3D打印而成,通过叶片表面粘贴厚度为0.02mm康铜加热膜接通恒定电流加热,使用红外热像系统精确测量叶片壁面温度,在平面叶栅中研究了吹风比(M)和雷诺数(Re)对气膜绝热冷却效率和努塞尔数(Nu)的影响(试验中基于弦长的进口雷诺数Re为8.0×10⁴-16.7×10⁴,吹风比M为1-3)。试验结果表明：M=1时气膜能够较好附着在叶片表面,叶片表面得到较好冷却;随着主流雷诺数的增加,绝热壁面温度逐渐升高,绝热效率逐渐降低;吹风比对涡轮叶片的传热特性的影响与气膜孔出流角度有关,随着吹风比的增大,压力面绝热冷却效率逐渐增大,由于吸力面的气膜孔出流角较大,吹风比增大使得吸力面的绝热冷却效率逐渐减小;随着吹风比的增加,对流换热系数增大。     

涡轮叶片内部沿周边分布的竹节孔换热特性研究

根据发动机涡轮叶片内部沿周边分布的竹节孔冷却通道结构建立了简化的传热分析模型。首先通过无量纲分析得到了竹节孔的平均努塞尔数不仅与雷诺数和普朗特数有关,还与“竹节”形状、通道外壁形状以及流体和固体的导热系数比等参数有关。然后,对雷诺数和冷却通道几何参数对竹节孔平均努塞尔数的影响进行了数值模拟研究,计算并对比了上述参数对平均努塞尔数的影响规律,结果表明：（1）“竹节”结构使平均努塞尔数显著增大,而通道外壁形状主要影响了局部热流密度和局部努塞尔数的分布情况;（2）随着通道内的雷诺数和“竹节”的节高/孔径比的增加,平均努塞尔数单调增大。但以增大节高/孔径比的途径来提高平均努塞尔数时,阻力系数迅速增大;（3）可通过增大雷诺数和优化节距/节高比来提高竹节孔的平均努塞尔数,计算表明最佳节距/节高比约为10。     

两种亚网格燃烧模型的旋流扩散燃烧大涡模拟

用二阶矩亚网格（SOM—SGS）燃烧模型和文献中的涡旋破碎亚网格（EBU—SGS）燃烧模型，对甲烷一空气旋流扩散燃烧进行了大涡模拟，将二者得到的LES统计平均温度分布和实验结果以及用二阶矩燃烧模型的统观模拟（RANS—SOM）结果比较，表明LES—SOM和RANS—SOM的模拟结果都和实验符合较好，而LES—EBU的模拟结果和实验不符合，在不同区域内高估或者低估了燃烧温度。其原因是由于EBU模型不能有效地考虑有限反应动力学的作用。LES—SOM模拟的瞬态结果显示了旋流扩散火焰的湍流大涡结构不同于射流火焰的特点。     

高温富油燃气超声速燃烧数值模拟

发展了二维超燃流场的数值模拟计算程序 ,用来进行高温富油燃气超燃流场的数值计算。数值解法采用了 Mac Cormack预估 -校正两步显式格式求解矢通分裂形式的 N- S方程组 ,湍流模型采用了壁面率修正的 Baldwin- Lomax代数方程模型和用于剪切混合层的普朗特混合长度模型。在超燃计算中 ,应用 C2 H4- O2 两步反应的有限速率化学反应模型 ,模拟高温富油燃气超燃试验的试验状态。计算结果表明 ,在高温富油燃气超燃流场中 ,热量释放较少     

亚／超双模态超音速燃烧的实验研究

描述了在超音速燃烧室中如何从亚音速燃烧模态转变为超音速燃烧模态的概念和目前的研究状态，并用实验表明改变氢燃料喷射位置和当量比对燃烧状态的影响，以及燃烧室各截面参数的变化规律。     

氢/氧气-气燃烧与气-液燃烧特性对比研究

对氢/氧气-气和气-液同轴剪切式单喷注器进行了燃烧流动的仿真研究.采用带化学反应的湍流Navier-Stokes方程和颗粒轨道模型描述发动机内部喷雾两相燃烧流动过程,气相化学反应速率都由Ar-rhenius公式计算.对典型气-气燃烧和气-液燃烧仿真结果进行了比较,结果表明气-气燃烧完成长度相对气-液燃烧更长;并进行了同轴喷注器关键参数对两种燃烧流场的影响的仿真和分析比较,得到喷注流量和动量比均为影响两类型喷注器燃烧流场的关键因素,且这两因素对燃烧完成长度的影响趋势是完全相同的,而喷注速度对两类型喷注器燃烧流场影响程度都较小.      

煤油超声速燃烧的数值分析

利用计算流体力学软件对煤油在所设计的双模态超声速燃烧室内的超声速喷雾燃烧进行了数值模拟。采用离散液滴模型、概率密度函数紊流扩散燃烧模型和紊流k ω模型计算了在飞行马赫数为5,煤油与空气的当量比为0 551时的情况。数值结果得到的壁面静压分布与实验数据基本一致;计算所得到的总压损失系数是0 696,非常接近实验测量值0 707,但计算得到的燃烧室燃烧效率远比实验值高。     

高温富油燃气超燃试验研究

在空气流量１．２ ｋｇ／ｓ 左右的地面连管试验台上, 进行了模拟飞行Ｍａ＝ ４, ５, ６的三个气流总温状态的碳氢燃料（煤油） 超燃试验。试验用双燃烧室方案, 由突扩型亚燃燃烧室燃烧产生的高温可燃气以马赫数１．２５喷入超燃室, 超燃室空气流马赫数为２．１５ （或２．１３）。不同空气流总温状态下燃料当量比对亚燃燃烧室和超燃燃烧室的试验结果表明, 双燃烧室方案实施煤油的超声速燃烧是可行的。若进一步采取混合增强和合理控制油量分配等措施, 则可提高双燃燃烧室超燃效率。     

不同直径圆球诱导燃烧的振荡机制与频率特性

为了分析不同直径圆球诱导振荡燃烧的规律，并揭示圆球大小在振荡燃烧现象中所发挥的深层次作用，本文采用二维轴对称Euler方程和基元反应模型，对不同直径的圆球在H2/air预混气体中诱导振荡燃烧的现象开展数值模拟研究。研究发现，振荡频率并不是简单地随直径增大而逐渐从高频向低频连续过渡，而是存在两次突变，形成了超高频、高频以及低频三种振荡燃烧模态。在两种模态间过渡时，振荡达到稳定状态前，会存在一段双频耦合的振荡阶段。三种不同振荡燃烧模态的产生是受到了不同振荡机制的作用，而两种模态间过渡时的双频耦合现象则是两种机制相互竞争的结果。     

湍流两相燃烧不稳定性分析

采用数值模拟的方法对液体火箭发动机燃烧室内湍流两相流动与燃烧过程进行了分析,同时研究了燃烧室内高频不稳定燃烧现象。气相控制方程用欧拉坐标系下的Navier-Stokes方程组描述,液相控制方程在Lagrangian坐标系下描述,湍流模型采用高雷诺数的k-ε双方程模型,并采用高压蒸发燃烧模型。通过数值模拟分析了当燃烧室处于稳态燃烧时从喷注面到喉部之间两相混合物的变化规律;当发生高频不稳定燃烧时所研究的控制体内混合气体和喷雾的量发生振荡,并且具有相同的频率和半个周期的相位差。     

自燃推进剂模型燃烧室高频纵向燃烧不稳定性

采用集总燃烧模型对某自燃推进剂模型燃烧室的高频纵向燃烧不稳定性进行了分析,计算了液滴蒸发速率沿轴向分布,忽略化学反应时间,近似采用蒸发速率峰值位置代替集中燃烧锋面位置,采用NASA经验公式给出了相应的敏感时滞和相互作用指数,建立了考虑自燃推进剂液滴蒸发过程的高频纵向燃烧不稳定性量化分析模型。基于系统振荡增益变化曲线,分析了不同液滴初始速度条件下稳定性趋势。研究表明:集中燃烧锋面位置对于高频纵向燃烧振荡具有重要影响,液滴平均粒径和液滴初始速度的增加都会导致其向下游移动,相应振荡增益会减小,稳定性提高。当平均粒径超过150 μm时,模型燃烧室振荡增益幅值降低至10以下,达到了理论上的稳定。     

双模态超燃燃烧室计算

选择了固定几何流通截面的双模态超燃燃烧室模型,采用气动热力调节的方法（即调节燃料喷射方式和燃烧速率）来实现双模态、宽马赫范围工作。在计算中用一维、定比热容方法分析了相关参数对燃烧室模态转变、性能的影响和隔离段与燃烧室的相互作用。计算结果表明,气动热力调节实现燃烧室内燃烧模态的转变是可行的。