涡轮叶片通道内部V型间断肋的传热特性研究

通过模拟仿真的方法研究了涡轮叶片通道内部V型间断肋的传热特性。主要探究了各结构参数（间断位置，分离肋长度，分离肋后置距离）对通道的传热性能影响。结果表明：相对于传统的扰流肋结构（直肋，60°斜肋，60°V型肋），V型间断肋在壁面平均相对努塞尔数，综合传热系数以及温度分布均匀性上更具优势。通过改变间断参数，能大幅提高V型间断肋的综合传热系数。在研究的参数范围内，当间断位置为2.5 mm，分离肋长度为10.0 mm，分离肋后置距离为9.6 mm时，通道具有最佳的传热性能。在雷诺数为30 000下，与带有直肋的通道相比，优化后的V型间断肋的平均努塞尔数提高了35.75%，综合传热系数上升了28.95%。     

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。      

肋角度和出流孔位置对流动特性的影响

针对带肋和双排出流孔通道,研究了肋角度和出流孔位置对流量系数分布和总压系数分布的影响.研究的肋角度为60°,90°和120°.出流孔分别位于相邻两肋之间距前肋1/4肋距、两肋中间、距后肋1/4肋距.研究表明:不同的肋角度和出流孔位置不改变流量系数和总压系数沿流向的分布规律;流量系数随肋角度增大而增大;60°和120°肋通道中总压系数绝对值接近且小于90°肋通道中的绝对值;两肋之间,出流孔位置靠近下游,将使流量系数增大,总压系数绝对值增大.      

不同结构肋化通道对流换热特性的试验

为了研究不同结构肋化通道冲击射流传热的传热特性,设计了4种不同结构的肋化通道,采用试验的方法分别对其传热特性进行了研究,分析比较了不同的肋化结构和冲击雷诺数对传热特性的影响规律.研究结果表明,在冲击驻点区域的传热特性与粗糙肋区域有所不同,具有V形结构肋化通道的传热性能较好.      

肋开孔高度对大宽高比矩形通道流动传热的影响

为了获得大宽高比矩形通道内开孔肋的流动与传热特性,采用数值模拟的方法在开孔肋的肋高e/Dh=0.188、开孔率β=0.131时研究了通道的摩擦系数、努塞尔数等参数随孔排高度和雷诺数的变化规律。结果表明:与实体肋相比,开孔肋能够减小通道的摩擦系数并提高其壁面温度分布的均匀性,但是传热增强因子有所减小;随着孔排高度的提升,通道的摩擦系数单调减小,壁面温度分布的不均匀度增大,而传热增强因子则先增大后减小,因此存在一最优孔排高度(h/e)opt=0.65使开孔肋的强化传热综合指标达到最大值;随着雷诺数的增大,开孔肋通道的摩擦系数缓慢减小、换热逐渐增强,这与实体肋的变化规律是类似的。     

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。     

带交叉肋变截面回转通道内换热的实验研究

以航空发动机涡轮叶片内部回转通道为设计原型,实验研究了三种不同入口宽高比的带60°交叉肋变截面180°回转通道壁面的换热特性。分析了几何无因次参数和气流雷诺数对通道带肋表面换热的影响。结果表明:通道壁面的换热效果是随着进口雷诺数的增大而增加的,其分布趋势基本一致;对于不同宽高比的通道,低雷诺数时通道平均换热效果是基本相同的,在高雷诺数时宽高比小的通道要好于宽高比大的通道,而换热系数在整体通道上的分布情况基本相同。      

肋的几何参数对网格式肋化通道的传热与总压损失特性的影响

通过10个实验模型研究了肋宽与肋间距之比t/p以及肋宽与肋高之比t/e对网格式肋化通道的换热与总压损失的影响。实验模型分为两组:第一组5个45/45模型是由两块肋向角分别为45°与-45°的肋化板形成的;第二组5个45/60模型是由肋向角分别为45°和-60°的两块肋化板形成的。模型的t/e分别为0.25,0.30,0.50,t/p分别为0.25,0.33,0.50。在雷诺数为0.5×105～1.5×105时,t/e=0.30与t/p=0.50的模型换热效果最好,但同时压损也最大。45/45模型与45/60模型的换热效果没有明显的区别,但后者的压损却是前者的近两倍。根据实验数据拟合得到了有关参数的准则关系式。      

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.      

带三角形V肋和反向V肋内冷通道强化换热机理研究

为了研究Ⅴ型肋分布形式和截面形状对带肋通道表面的换热强度和流动结构的影响,采用瞬态液晶实验和数值模拟相结合的方法,对截面形状为三角形的Ⅴ肋和反向Ⅴ肋在不同雷诺数工况下的表面换热系数分布规律进行了研究,并分析了Ⅴ肋和反向Ⅴ肋诱导产生的肋间涡的发展特性,并与传统矩形截面肋结构进行了对比分析。结果表明:带肋通道表面换热系数随雷诺数增大而增大;正向Ⅴ肋后换热系数呈"心"型分布,在一条肋两支之间诱导一对涡,并沿流向向两侧发展,三角形截面肋的高换热区更集中于中线;反向Ⅴ肋后换热系数呈"八"字型分布,在一条肋两支外侧诱导对涡,沿流向向中间发展,且三角形肋的展向范围更大。三角形截面肋的换热强于矩形截面肋,且当入口雷诺数低于2.5×104时,三角形反向Ⅴ肋的换热效果最好。     

非等直径柱肋阵列的冷却特性

为优化柱肋阵列冷却效果,通过缩小柱肋阵列中局部柱肋直径得到3种非等直径柱肋阵列通道。采用瞬态液晶测试技术和数值模拟方法研究了其传热和流阻特性。结果表明:保持奇数排柱肋直径的大小,仅减小偶数排的直径,能在传热减弱不多的情况下,使通道的流动阻力大幅降低。适当调整奇/偶数排柱肋的直径,雷诺数为10 000~50 000,奇偶数排柱肋直径比为1.4的非等直径柱肋阵列通道,其平均传热系数仅减小了约6%,而阻力系数则减小了约21%。      

网格式肋化通道换热与总压损失特性研究

通过两个实验模型,对矩形网格式肋化通道的换热与总压损失特性进行了实验研究。模型通道的两个宽边是由铝板机械加工而成的肋化壁,两个短边是由胶木板制成的绝热壁。肋化壁上肋与通道轴线所形成的锐角定义为肋向角α,第一个模型的两个宽边上的肋向角分别为45°和-45°(简称45/45模型);第二个模型两宽边的肋向角分别为45°和-60°(简称45/60模型)。两个模型的肋宽与肋间距之比t/p=0.25,肋间距与肋高之比t/e=0.30,肋高与通道高度之比e/H=0.50,即两个肋化壁的肋尖相互接触,从而形成网格式通道。实验表明当雷诺数在0.5×105～1.2×105范围内变化时,网格式内冷通道换热效果比光滑通道提高了5～9倍,但伴随的总压损失增加了3个数量级。      

旋转对小间距扰流柱通道内的流动换热影响

为了深入了解旋转对涡轮叶片尾缘扰流柱通道的流动换热的影响,在静止实验研究的基础上,用数值计算的方法研究了旋转情况下梯形小间距扰流柱通道内的流动结构和换热情况.数值计算结果表明:①旋转时沿着径向静压逐渐升高.靠近叶根的流量变小,而靠近叶片顶部的区段出流量变大.②在扰流柱区,旋转时迎风面和背风面的端壁换热都略有增强,但增强的幅度不超过7%,迎风面略高于背风面,但差别不大.沿着径向换热逐渐升高,靠近叶尖处的换热强而靠近入口叶根处的换热弱.      

梯形和矩形通道内短扰流柱排流动与换热计算

为了得到逐渐收缩的梯形通道内扰流柱排的流动换热的规律,对梯形通道内扰流柱排的端壁换热和压力损失进行了数值计算,并与矩形通道进行比较。计算结果表明:(1)梯形通道与矩形通道的端壁总平均换热系数相差不大,但是梯形通道内每排扰流柱的Nu数相差较大。(2)相同来流Re数条件下,梯形通道的压力损失系数远大于矩形通道。所以,在实际计算逐渐收缩的梯形通道内扰流柱排的平均换热时,可近似采用矩形通道内扰流柱的实验关联式,并且将每排扰流柱分别计算。在计算压力损失时,不能将梯形通道近似成矩形通道。     

梯形通道内扰流柱不同排列方式的流动和换热的数值研究

应用湍流模型,对涡轮叶片尾缘扰流柱通道的流动和换热进行了二维数值模拟研究。对扰流柱4种不同的排列方式的通道进行了数值模拟计算,并对各种排列的传热和阻力特性进行了综合分析与比较。结果表明,对换热的影响,内部沿流向叉排的比进口对应扰流柱排列方式的更显著。     

不同去旋角度进气共转盘腔内流动与换热研究

以带有去旋喷嘴的共转盘腔为研究对象,运用RNG k-ε湍流模型,分别对3种喷嘴角度（90°、60°、30°）的3维模型进行了数值计算,揭示了去旋角度对盘腔内气体切向速度、盘腔内压降和转盘表面换热的影响规律。研究结果表明：随着去旋角度的减小,盘腔内气体的切向速度减小,盘腔内压降减小,转盘表面的局部努赛尔数Nur增大。     

高旋转数下不同通道转角梯形带肋回转通道的换热特性

为研究截面形状和旋转效应对高压涡轮动叶内部冷却通道换热的影响,对雷诺数为10000～50000,旋转数为0~209,通道转角为0°、225°、45°的带直肋双流程梯形截面通道换热特性进行了实验研究。结果表明:静止状态下,在第一通道,梯形通道后缘换热强于前缘;在第二通道,前、后缘换热区别不大,后缘的换热略强于前缘。旋转状态下,对0°通道转角,随旋转数的增大,第一通道的后缘面换热仍强于前缘面和外侧面,且差异更明显;第二通道前缘换热相对后缘增强。在较高旋转数（旋转数大于1）时,0°通道转角工况的换热最强,45°转角最弱。      

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.      

V肋对尾缘劈缝气膜冷却特性的影响

采用压敏漆技术和瞬态热色液晶技术研究了V肋对尾缘劈缝表面气膜冷却特性的影响,获得了不同吹风比及V肋宽度下2种不同尾缘劈缝表面形状的气膜冷却效率和对流换热系数分布的试验数据,并采用净热流密度值评估对比了带有V肋的劈缝结构的综合冷却性能。试验结果表明：V肋的加入对未扩张型劈缝表面的气膜覆盖产生了不利影响,在小吹风比工况下,V肋宽度对面积平均气膜冷却效率无明显影响,相同V肋宽度结构下,未扩张型劈缝表面的气膜冷却效率始终高于扩张型劈缝表面的;V肋宽度对劈缝表面换热强度的影响不明显,V肋在未扩张劈缝表面结构上展现出的强换热性优于扩张型劈缝表面结构;带有V肋的尾缘劈缝冷却结构可有效增大6.9%~26.6%的净热流密度值,V肋宽度对其无明显影响,小吹风比工况下宜将V肋应用于未扩张的劈缝表面结构,大吹风比工况下无需考虑劈缝表面形状。     

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