典型层板冷却结构中流体流阻与换热特性的实验

对进气孔、扰流柱和出气孔个数之比为1:4:1的典型层板冷却结构的流体流阻与换热特性进行了实验研究.结果表明, 对于进、出气板间距不大的层板模型, 出气板内表面的换热系数最大, 扰流柱表面的换热系数次之, 进气板内表面的换热系数最小.对不同层板模型的比较表明, 相同流量下随着进气孔直径的增大, 流阻系数增大, 进气板内表面的换热系数变化不大、出气板内表面的换热减弱;随着出气孔直径的增大, 流阻明显减小, 进气板内表面的换热减弱, 出气板内表面的换热变化不大;随着出气孔倾角的增大, 流阻增大, 进气板内表面的换热增强, 出气板内表面的换热变化不大.      

应用瞬态液晶测量技术研究层板内部换热特性

应用窄带瞬态液晶测量技术对放大型层板结构的内壁面(靶面、冲击面、扰流柱面)进行了详细的换热系数测量.由获得内表面换热系数分布来深入分析复杂层板结构内部强化换热机理.实验研究结果表明:应用先进瞬态液晶测量技术能够获得复杂层板结构内部表面的换热系数分布,获得信息量大;层板内表面换热系数随着冲击雷诺数的增大而线性增加;内表面平均换热系数随着通道高度增加而减小.      

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。     

扰流柱几何参数对层板流阻和换热特性的影响

研究了扰流柱几何参数中填充比和直径比对于层板结构流阻和换热特性的影响,在进口流量和两侧换热条件相同情况下,对孔径、通道高度和开孔率相同,扰流柱均为圆柱形,出气孔均倾斜60°角,但扰流柱填充比和扰流柱直径比不一样的15种模型进行了流固耦合计算,得到了模型的流阻和换热特性.结果表明对于流阻而言,填充比的增加有利于层板模型流阻的减小和换热效率的提高;同时,在等填充比条件下,主扰流柱直径的增加有利于层板流阻的减小;当主、副扰流柱直径相同时,换热效果达到最佳.      

不同直径及形状的短扰流柱群的流阻及换热

采用放大的模型对装有五排短扰流柱的涡轮叶片尾缘的冷却通道的流阻特性及通道端壁表面上的局部换热系数进行了测量 ,重点研究了扰流柱直径及形状的影响。结果表明 :(1 )扰流柱直径越大 ,压力损失系数越大。在相同条件下 ,圆柱形扰流柱排的压力损失系数要大于圆锥形扰流柱排的压力损失系数 ;(2 )圆柱形扰流柱排内的换热强化系数的增长速度比圆锥形扰流柱排要快 ,而且达到的最大值也较大。扰流柱直径越大 ,在相同的局部位置处换热强化系数越大 ;(3 )当扰流柱直径增加时 ,其阻力的上升要比换热的上升快的多。与圆柱形扰流柱相比 ,锥形扰流柱更有利于增强换热或减小流阻     

穹顶形扰流柱冲击冷却系统综合换热效率数值模拟

为了分析扰流柱对冲击冷却效率的影响,采用数值模拟方法对穹顶形扰流柱冲击冷却系统进行研究,获得其换热与流 动特性,并与平板靶板冲击冷却系统和圆形扰流柱冲击冷却系统进行对比分析。结果表明：穹顶形扰流柱冲击冷却系统可以同时获 得良好的换热效果与较小的流动阻力系数。与圆形扰流柱靶板相比,穹顶形扰流柱靶板的Nu 增大了13.8%,而流动阻力却减小了 5.3%;其综合换热效率提高了17.9%。从综合换热效率的角度看,穹顶形扰流柱冲击冷却系统优于平板靶板冲击冷却系统和圆形扰 流柱冲击冷却系统。     

扰流柱对层板冷却叶片前缘传热

根据涡轮导向叶片进、出口条件,运用RNG k-ε湍流模型对简化的层板冷却叶片前缘部分进行数值模拟计算,比较了冲击双层壁和带有圆形、方形、菱形扰流柱的4种层板冷却叶片前缘的流动与传热情况。结果表明:冲击双层壁的总压损失与带扰流柱的层板冷却叶片前缘的相差不大;方形、菱形与圆形扰流柱的靶面换热系数分布相近,差别很小;带扰流柱的层板结构叶片前缘的冷却效率比冲击双层壁的前缘的高,其中方形扰流柱的前缘表面的冷却效率最高,菱形、圆形的次之。     

扰流柱分布对层板流阻和换热性能的影响

研究了层板内部扰流柱排列形式对层板结构流阻和换热性能的影响。在相同的两侧换热条件和进口流量条件下,对孔径、通道高度、开孔率和填充比相同,扰流柱均为圆柱形,出气孔均倾斜30°,扰流柱个数和排列形式不一样的6种模型进行了流固耦合计算,得到了6种模型的流阻和换热特性。结果表明,对于流阻而言,在等填充比条件下,同种排列形式的层板结构,扰流柱越靠近出气孔,层板出气流阻越小;扰流柱的个数越少,腔内流阻越小。对于换热而言,在等填充比条件下,扰流柱个数越多,换热效果越好;扰流柱排列方式的变化,会改变气流流动结构,在一定程度上改变了层板换热性能。     

扰流柱分布对层板流阻和换热性能的影响

研究了层板内部扰流柱排列形式对于层板结构流阻和换热性能的影响,在相同的两侧换热条件和进口流量条件下,对孔径、通道高度、开孔率和填充比相同,扰流柱均为圆柱形,出气孔均倾斜300角,对扰流柱个数和排列形式不一样的六种模型进行了流固耦合计算,得到了六种模型的流阻和换热特性。结果表明对于流阻而言,在等填充比条件下,同一种排列形式的层板结构,扰流柱越靠近出气孔,层板出气流阻越小。扰流柱的个数越少,腔内流阻越小。对于换热而言,在等填充比条件下,扰流柱个数越多,换热效果越好,扰流柱排列方式的变化,会改变气流流动结构,在一定程度上改变层板换热性能。     

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%.      

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。     

肋片几何形状对仿螺旋肋片内冷通道流动与换热的影响

利用数值模拟方法,分析了仿螺旋肋片内冷通道在通道宽高比AR=2.9、肋高与通道当量直径比e/Dh=0.336、肋高与通道高度比e/H=0.5、肋片与轴面的夹角β=15°及雷诺数在1×104 to 2×105之间时,矩形肋片和楔形肋片对仿螺旋肋片内冷通道强化传热与流动阻力特性的影响。计算结果表明,仿螺旋内冷通道平均换热系数得到了明显的提高,但同时流动阻力也显著增加。在所研究的范围内,矩形仿螺旋肋片内冷通道的换热强化比要高于同等几何排列条件下的楔形仿螺旋肋片内冷通道,但其综合肋化效率要低于相同几何排列条件下的楔形仿螺旋肋片内冷通道。      

Experimental study of single-row chevron-jet impingement heat transfer on concave surfaces with different curvatures

To address the curvature effect on single-row chevron-nozzle jet impingement heat transfer on concave surface, a series of experiments are conducted in the present investigation.Four concave surfaces including one semi-cylindrical concave surface and three parabolic concave surfaces with different width-to-depth ratios are tested under three typical Reynolds numbers(Re = 5000,10000 and 15000) and several dimensionless nozzle-to-surface distances ranging from 1 to 8.The results show that the concave curvature has a clear impact on chevron-nozzle jet impingement heat transfer, tightly dependent on jet Reynolds number and impinging distance.In general, the semicylindrical concave surface produces the highest longitudinally-averaged Nusselt number at the leading line of concave surface.Under a low jet Reynolds number, the parabolic concave surface with a highly curved curvature produces higher longitudinally-averaged Nusselt number at the leading line and more uniform longitudinally-averaged Nusselt number distribution along the curvilinear direction.However, the longitudinally-averaged Nusselt number at the leading line of concave surface is the lowest for the highly curved surface under a high jet Reynolds number and large impinging distance.In comparison with the round-nozzle, chevron nozzle plays a more significant role on improving jet impingement heat transfer at small impinging distances.     

稀疏气膜冷气侧局部换热特性实验

涡轮叶片弦中区的冷却为冲击带初始横流和气膜孔溢流的复杂流动换热,通过实验的方法,研究了涡轮叶片弦中区沿流向局部换热特性和靶板平均换热特性随冲击雷诺数、横流射流密流比、气膜出流与横流密流比以及冲击腔高度与冲击孔直径之比的变化规律,并通过气膜出流与横流密流比对局部换热效果、区域平均换热效果以及靶板整体平均换热效果的影响规律揭示气膜的介人对冷气侧换热带来的影响.     

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。     

非均匀横流作用下冲击射流冷却的数值研究

运用数值计算的方法对非均匀横流作用下冲击射流冷却的流动和传热过程进行了三维数值研究,揭示出射流冲击孔和横流孔相对排列方式、射流雷诺数和横流雷诺数相对大小、射流孔中心至横流孔出口截面距离等因素对冲击射流冷却流动传热特性的影响。结果表明:若保持总的冷却流量不变,当横流雷诺数与射流雷诺数之比等于或大于0.5后,有横流时的冲击射流冷却局部努塞尔数比无横流时有较为显著的下降;在非均匀的横流作用下,对于叉排和顺排方式,由于射流和横流的相互作用,壁面温度分布呈现出复杂的特征;射流孔和横流孔呈顺排布置时,峰值努塞尔数所对应的射流驻点区向下游偏移。      

反向旋转盘间非稳态换热特性的实验研究

将反向旋转的高低压涡轮盘简化成了几何形状相对简单的反转盘系统。用实验的方法研究了非稳态情况下改变冷气流量和改变两盘转速对两盘温度和盘面平均努塞尔数的影响。结果表明:(1)进气雷诺数是最重要的影响因素,它对换热的影响是瞬时的,雷诺数升高两个盘面的努塞尔数同时增加;(2)在本实验范围内,转速对盘面换热的影响有限,而且它只影响转速变化的盘的表面换热而对对面的盘没有明显的影响。      

具有气膜出流孔和针肋的双层壁冷却结构内的冲击传热性能

针对具有气膜出流孔和针肋的双层壁冷却结构内冲击传热性能进行了试验和数值计算研究。试验采用瞬态液晶（TLC）热像技术,研究的靶板包括光滑靶板、针肋靶板以及带气膜出流孔的针肋靶板。冲击间距比为1.5,射流雷诺数范围为15 000~30 000。结果表明,针肋+气膜出流孔结构明显改善了下游区域横流的影响,明显提高了传热性能,靶板表面传热分布也更加均匀。相比于平板,当射流雷诺数为15 000时,针肋靶板和带气膜出流孔的针肋靶板端壁表面平均Nusselt数提升幅度最大,分别为6.3%和25.3%。针对双层壁冷却结构内射流冲击传热还开展了数值计算,通过采用SST （Shear Stress Transport）k-ω湍流模型计算分析获得了该双层壁冷却结构内的流动和传热特征。     

同向旋转盘间换热特性的实验研究

本文将实际发动机高、低压涡轮盘简化成几何形状相对简单的中心轴向进气、径向出气、两盘以不同速度同向旋转的旋转盘系统。用实验方法研究了冷气流量、转速以及两盘间隙对旋转盘间换热的影响规律,并对结果进行了相应的分析。     

航空发动机帽罩热气膜防冰的加热特性

针对复合材料帽罩采用的一种热气膜防冰系统,采用计算流体力学方法研究了其内部冲击换热和外部气膜加热效果。发展了二维轴对称计算方法并与全三维计算结果进行了对比,搭建了热气吹风实验台,利用红外测温仪和热电偶测量帽罩温度,验证了数值计算方法。全面研究了不同射流雷诺数、相对冲击距和气膜缝结构参数对热气加热特性的影响,结果表明:增大射流雷诺数有利于提高内部冲击换热效果和外部气膜加热效果;最佳相对冲击距随射流雷诺数的增大而增大,射流雷诺数为10000~40000范围内最佳相对冲击距在5~8内取得;气膜射流能大幅提高缝后外壁面温度,加热效率与气膜缝宽和位置有关,前缘开设的气膜缝还会提升前缘冲击换热效果。