船舶燃气轮机U型肋通道的颗粒沉积特性研究

为了探究船舶燃气轮机内部冷却通道的颗粒沉积特性,本研究从随压气机抽取的气体进入冷却涡轮内部冷却通道内的颗粒动力学特性及颗粒与壁面相互作用特性出发,基于高温壁面建立速度场影响的沉积模型,利用用户自定义函数实现沉积模型与CFD程序的嵌套。并简化船舶燃气轮机内部冷却通道,选取了在气膜孔与壁面之间夹角β=90°时,下游肋倾角α不同(α=30°,45°,60°,75°,90°),及在下游肋倾角α=60°时,气膜孔与壁面之间夹角β不同(β=30°,45°,60°,75°,90°)的八种不同内冷结构进行数值计算。研究表明,在气膜孔与壁面之间夹角β=90°不变时,随着下游肋倾角由α=90°减到α=30°时,弯头壁面换热性能和沉积率逐渐呈下降趋势,下游肋与肋之间壁面上颗粒的撞击率逐渐上升。下游肋倾角α=60°,气膜孔与壁面之间夹角β=45°的U型肋通道,在八个内冷结构中弯头壁面沉积率最少,换热性能最好,是能够有效改善船舶燃气轮机冷却涡轮的海洋环境工作适应性,减少内部冷却通道中颗粒沉积的内冷结构。     

直冷却通道斜置肋片传热特性的数值研究

将燃气轮机涡轮叶片内部冷却的直管部分简化为方形截面带肋直冷却通道,并对简化直通道内部肋片在不同斜置角度下的换热特性和流动损失进行优化。针对直通道,进行了湍流模型对比及选取。将肋片的斜置角度30°~60°以5°为等差分为五种工况,然后利用CFX软件和自行编写的MATLAB程序对其进行模拟计算、数据处理、寻优和验证分析。结果表明:k-ε湍流模型与实验数值吻合较好,48.62°的斜置肋片能更好地提高带肋直冷却通道整体换热效果,30.34°的斜置肋片的综合换热性能最好。     

带斜孔肋大宽高比矩形通道的强化传热特性

为了获得带斜孔肋大宽高比矩形通道的强化传热特性,并寻求最佳的孔排倾斜角度,调节孔排倾斜角度和通道雷诺数,使其分别在0°~30°和3×104~9×104范围内变化,通过数值计算系统分析了通道摩擦因数和带肋壁努塞尔数等参数的变化规律.研究发现:相比于常规肋片,新型斜孔肋有效改善了肋片后方紧邻肋片的局部区域的壁面换热,并降低通道的摩擦因数,但传热增强因子有所减小;随着孔排倾斜角度的增大,通道的相对摩擦因子单调升高,传热增强因子则呈现出先升高后降低的变化过程,因此存在着最优孔排倾斜角度为15°,此时斜孔肋的强化传热综合指标达到最大值;随着通道雷诺数的增大,斜孔肋通道的摩擦因数小幅减小,换热则逐渐增强.      

V型肋片直冷却通道内流动与传热的数值研究

采用结构化六面体网格和k-ε湍流模型求解三维N-S方程,对内置不同肋间距与肋高比V型扰流肋片的直冷却通道,在入口雷诺数为20 000时的流动与换热特性进行数值模拟,分析了不同肋间距与肋高比对肋间壁面换热效果和流动损失的影响,并对肋间距与肋高比进行了全局寻优。结果表明,带肋直冷却通道的整体换热效果和综合冷却效率,分别和肋间距与肋高比呈近似函数关系,肋间距与肋高比为7.93时通道整体换热效果最好,为5.2时通道综合冷却效率最佳。     

蛇型冷却通道中的蒸汽流动与换热特性研究

采用CFX软件数值计算了带肋蛇形冷却通道内的空气流动与换热特性,验证了计算模型和方法,比较了湍流模型的适用性;在此基础上,数值计算了蛇形冷却通道内蒸汽的流动与换热特性,分析了蒸汽过热度、肋片角度和V型肋片对蒸汽流动与换热性能的影响。结果表明:SSG湍流模型的计算结果与实验数据吻合较好;蒸汽过热度对换热效果的影响较小;相对于光滑通道,带肋通道的弯道效应影响降低;V型肋片的换热效果好于平行斜肋。     

膨胀循环推力室再生冷却换热的数值模拟

为了解液体火箭发动机膨胀循环推力室再生冷却换热特性,采用数值模拟方法,研究了冷却剂流动方式、推力室圆柱段长度、圆柱段室壁加肋和气壁面粗糙度等因素对冷却通道压降、冷却剂温升、壁面热流密度和温度分布等换热特性的影响.计算过程中采用k-ε双方程湍流模型.计算结果表明:采取顺流冷却要比逆流冷却的冷却通道压降低,但同时冷却剂温升也低;对于室壁加肋结构,在肋个数相同而只改变肋高度的情况下,总换热量正比于总换热面积.      

叶片内部蒸汽冷却的数值模拟

在某燃气轮机第二级导向叶片的基础上,对叶片内部进行了设计并采用内部蒸汽冷却方式.采用非结构化网格和Realizable k-ε紊流模型,对同时带15°,30°和45°肋的叶片内外流场以及叶片本身进行了三维热耦合的定常数值模拟.热耦合采用在流固耦合面的热对流和固体导热来实现.内部冷却介质选用比空气热容大,粘度低的水蒸汽.结果表明:带肋的通道流场非常复杂,扰流肋的存在使各壁面的换热都得到了增强,相对于光滑通道换热显著,有明显的冷却痕迹,冷却效果明显;采用蒸汽冷却比用空气冷却效果要好;压力面温度普遍低于吸力面温度.      

带45°肋矩形通道换热数值模拟

采用非结构化网格和Standardk-ε紊流模型,求解三维N-S方程,对带45°肋矩形通道在入口雷诺数3×104～18×104时进行了换热特性的数值模拟,分析了各个壁面的换热特性。结果表明,扰流肋的存在使各壁面的换热都得到了增强,但增强幅度的差别较大。     

交替大小肋片方腔通道内换热性能的数值模拟

采用商业软件CFX研究了内部具有不同间距的周期性交替大小肋片的方腔通道的换热性能.结果发现:流体流过斜置肋片时,从肋片的上游端点开始形成一个紧靠带肋壁面向斜下游发展的喇叭状涡,此涡使肋片之间形成卵形高换热区域;高换热区域面积的大小与流体流动情况有关,而且受下游肋片影响.与采用单一尺寸肋片的通道相比,在适当的位置加入小肋片能够改善再附着区域下游的换热,同时降低通道的流阻系数,增强综合换热能力.      

考虑发动机冷却通道固壁内耦合导热影响的低温甲烷超临界压力传热研究

 在考虑发动机冷却通道固壁内耦合导热影响的情况下,开展了低温甲烷在矩形冷却通道中的超临界压力湍流换热数值模拟研究;仔细分析了热流密度及管道几何形状对低温甲烷超临界压力下的流动和传热的影响;得到了流体速度、壁面温度、壁面热流密度等参数的详细变化情况以及Nusselt数的变化规律。计算结果表明:在考虑流固耦合作用时,上壁面施加的热流有一部分会通过固体壁面内的热传导,经由侧壁面传入超临界压力流体,并且随着热流密度的增加,经侧壁面传导的热流所占的比例也会随之增大;减小冷却通道内截面的高宽比,可以提高超临界压力下的换热效果,但流动压降会大大增加,因此冷却通道高宽比的选择需综合考虑传热与压力损失的影响,可以引入热性能参数作为参考;修正的Jackson&;Hall对流换热关系式基本可以适用于本文中的各种工况。     

燃气轮机涡轮导向叶片涡流交错肋冷却技术研究

研究了燃气轮机涡轮涡流交错肋冷却导向叶片的冷却效果。采用由联立的连续方程、动量方程和能量方程构成的专用程序,计算了冷却系统流体动力和换热特性;采用通用的有限元计算方法计算了叶片温度场。通过对涡流交错肋通道的几何特性、流体阻力特性参数、叶片冷却系统的流体动力和换热、叶片温度场的计算,获得了气冷导向叶片的冷却效果。考虑到最大径向和周向不均匀度和+30℃裕度的情况,得到气冷叶片的中间截面平均降温为350℃,气冷叶片中截面的平均冷却效果为0.383。     

发散冷却与槽缝射流对涡轮静叶端壁气热性能影响的研究

燃烧室壁面发散冷却气流影响下游涡轮静叶端壁的气热性能,论文采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes（RANS）方程和SST湍流模型的方法研究了燃烧室壁面发散冷却和前缘槽缝射流作用下的涡轮静叶端壁流动结构和传热冷却特性。分析了3种发散冷却流量质量比和3种前缘槽缝射流质量流量比下的涡轮静叶端壁绝热有效度、静叶叶片泛冷却特性和叶栅流动结构。研究表明：在3种发散冷却气质量比工况下,槽缝射流质量流量比由1.0%增加至1.5%时,整体绝热冷却有效度可至少提升60%,且叶片前缘与压力面角区也得到充分冷却;发散冷却质量流量比增加会改善叶栅出口下游部分端壁冷却效果。上游发散孔流量大于下游孔且槽缝吸力面侧局部质量流量比高于滞止点附近位置,发散冷却与槽缝射流流量增加能够减小冷却气流量局部差异。发散冷却与槽缝射流流量增加会削弱马蹄涡,增强空腔涡,并对二次涡产生影响,从而改变冷却气流覆盖特性。静叶端壁气热性能的研究需要考虑上游燃烧室壁面发散冷却的影响,论文的工作为涡轮静叶端壁冷却性能分析提供了参考。     

冲角对涡轮低压导向器气动特性影响的实验研究

本文实验研究了通过前置可调导叶改变来流气流方向对涡轮低压导向器环形叶栅损失的产生与分布的影响, 以及在沿叶高不同分布的冲角下模型叶栅气动特性的变化。在不同的沿叶高分布的进气冲角下, 详细地测量了导向器出口流场和叶栅表面静压分布, 得出导向器总流动损失随平均冲角的变化, 从而确定了对应最小流动损失的冲角范围, 对导向器的变工况性能做出了评价。      

高主流湍流度下密度比对涡轮导叶全气膜冷却特性的影响

为了研究高主流湍流度下二次流密度比对涡轮导叶全气膜冷却特性的影响,使用热色液晶测量了在主流湍流度为15%,二次流密度比为1.0和1.5下三维涡轮导叶的气膜冷却效率和换热系数。二次流与主流质量流量比为7.0%和12.5%。结果表明:二次流密度比增大可以降低冷气射流的动量,小流量比工况下,在叶片前缘和压力面前半段,动量较低的二次流在高主流湍流度的影响下更易耗散,增大二次流密度比使冷却效率明显降低;大流量比工况下,二次流动量降低使气膜孔后区域冷气贴附性增强,气膜冷却效率和冷气覆盖效果均得到提升。小流量比工况下,二次流密度比增大对叶片表面换热的影响较小;大流量比工况下,二次流密度比增大使吸力面中弦区域和压力面后半段的平均换热系数比分别降低15%和25%。     

冲击粗糙壁面复合冷却实验研究

对有初始横流的冲击粗糙壁面复合冷却技术进行了实验研究。由以往研究可知,影响换热效果的因素很多,主要可分为流动参数和几何参数。本文主要通过实验以了解各种流动参数、几何参数对换热特性的影响规律,并对其结构设计提出有价值的参考意见。      

带肋回转变截面通道内换热特性的实验研究

用实验方法研究了某航空发动机涡轮叶片内部带肋变截面180°回转通道壁面的换热特性,分析了上下面带60°平行斜肋和带60°交叉肋两种分布形式对换热的影响。实验结果表明:通道的努赛尔数随着雷诺数的增加而增大。在低雷诺数下两者的通道平均换热效果是相近的;在高雷诺数下交叉肋通道平均换热效果好于平行斜肋通道。变截面通道的壁面温度分布没有严格的以肋间距为周期的变化规律;交叉肋通道壁面温度沿流体流向的梯度要比平行肋通道的小。     

复合式气冷涡轮导叶冷却设计与试验

介绍了某型复合式气冷涡轮导叶的冷却设计与试验研究,在较高的温度和压力条件下,进行了真实叶片的冷却效果试验。通过对试验状态的对比计算及试验结果的分析,结果表明:所设计的涡轮复合式气冷导叶在较宽广的冷气流量比范围内,具有良好的冷却特性,计算结果与试验结果吻合较好。      

跨声速涡轮静子端壁气膜冷却数值研究

对跨声速涡轮静子端壁气膜冷却进行了数值研究。研究发现涡轮静子端壁存在几个强换热区域：叶片前缘马蹄涡及前缘马蹄涡区域、吸力面马蹄涡分支覆盖区域、通道中靠近压力面侧和尾缘附近及尾缘后区域。针对端壁区域复杂的换热分布,设计了1种新型端壁全气膜冷却布置。通过数值研究对比了在不同进口吹风比情况下的壁面Nu、壁面气膜冷却效果和壁面热负荷。结果表明：存在最佳的进口吹风比,即在前缘Minlet=1.0时,尾缘Minlet=4.0时,端壁区域冷却效果最好。     

1+1/2对转涡轮可调高压导叶流场及损失的数值研究

调节高压导叶开度可以有效控制1+1/2对转涡轮流量,同时导叶的调节也伴随着一些附加损失的产生,为了使采用可调导叶获得的效益不被涡轮效率的下降抵消过多,有必要对可调导叶的流场及间隙流动进行详细的分析。通过数值研究表明,当采用可调导叶端部加入间隙后,在上下两端壁附近会出现高损失区。间隙泄漏流除了进口端壁的来流之外,还有一部分来自于叶片压力面的附面层,使得压力面出现明显的展向二次流。泄漏流的流量越大越容易形成泄漏涡,压力面和吸力面之间的压差是泄漏涡形成的主要动力。     

舰船燃气轮机高压涡轮颗粒沉积特性研究

为了探究典型舰船燃气轮机高压涡轮叶栅通道内部的颗粒沉积分布规律,论文以分析随燃气进入涡轮叶栅通道内的颗粒的动力学及颗粒与壁面相互作用的特性为出发点,探究颗粒与涡轮叶片表面撞击后发生黏附与剥离以及沉积与反弹的相互作用准则,在此基础上构建相应的颗粒壁面沉积模型,采用数值模拟方法,建立气-固两相流无量纲方程组,嵌入UDF用户自定义函数,并比较分析临界速度模型和临界黏度模型对于模拟颗粒沉积分布的异同。结果表明,在本文工况条件下,对于临界速度模型而言,叶片表面和下端壁处的颗粒沉积效率都在动量Stokes数增大到约0.1时开始从100%减小,在动量Stokes数增加到约10后减小到0;上端壁处的颗粒沉积效率在动量Stokes数增加到约1时开始从100%减小,在动量Stokes数增大到约100后减小到0。而对于临界黏度模型而言,叶片表面和下端壁处的颗粒沉积效率随着动量Stokes数的增大而不断增大,二者都在动量Stokes数约为1时达到100%,而上端壁处的沉积效率却先增大后减小,最后再增大,在动量Stokes数约为0.1颗粒沉积效率降低到最小值约为80%,后开始增加到100%。