光滑楔形通道径向末端射流冲击冷却换热特性研究

为了研究在旋转状态下射流冲击冷却在楔形通道径向末端的冷却效果,在主流通道进口雷诺数为15000、旋转数为0或0.1的工况下,实验研究了不同射流孔位置、射流流量条件下的楔形通道沿程壁面换热规律。研究结果表明:射流孔附近的通道壁面换热系数被极大地增强,但冷却效果被限制在一定范围内;射流对通道内侧的影响范围要大于中部和外侧,但增大射流流量并不会增加内侧的换热系数;旋转工况下,射流影响区的换热对比静止基本上没有变化;在本实验工况下,射流不能强化沿通道径向射流孔后侧位置的换热;不同工况下的通道整体平均换热在10%以内,末端射流冲击对通道整体换热影响有限。     

多孔板换热的数值模拟研究

通过分析层板燃气侧、内部及冷气侧的换热特性，表明层板内流动特别复杂，换热也具有多样性。冷气侧换热面由于冲击孔出流的抽吸作用导致冲击孔上游换热加强，冲击孔出流对下游换热边界层的破坏，使下游抉热同样加强，且比上游增加幅度大。通道底面主要是由于射流形成的漩涡对底面冲击而使抉热增强，但影响区域不大。冲击面由于射流的冲击使滞止区换热系数很大，影响的区域也较广。燃气侧换热面由于气膜孔射流对主流的影响使气膜孔下游的主流旋转形成强度很大的漩涡，冲击壁面而使气膜孔下游换热增强，并且两孔之间由于冷气的掺混换热系数较大。     

旋转楔形通道流动与换热特性的数值研究

为了模拟涡轮叶片尾缘冷却通道的流动换热特性,建立了带侧向出流的旋转楔形冷却通道的数值模型,采用k-ωSST两方程模型研究了流动与旋转对于楔形通道内换热分布与不同出口冷气出流比例的影响。在静止情况下,由于沿程侧向的冷气出流,换热沿程降低。而旋转压缩了通道顶部内侧区域的流动滞止涡,导致内侧区域的换热显著增强。静止情况下沿程冷气出流占比不断提高,但雷诺数的影响有限。随着旋转数的提高,通道冷气出流比例受到旋转离心力的主导作用,前半段冷气出流比例下降,后半段出流比例上升,在50%径向高度位置为平均值。在大旋转数下(Ro0.4),通道前半段冷气出流比例逐渐下降为0。通道安装角度的变化对冷气出流比例的影响有限。     

侧向冲击楔形通道旋转换热特性的实验研究

为研究侧向冲击入流对于涡轮转子叶片内部冷却结构的影响,针对带侧向冲击入流的叶片尾缘简化的楔形通道开展实验研究。实验采用铜块加热法,在Re=5×10~3～1×10~4和Ro=0～0.54内实验研究了通道内展向及流向的换热特性。结果表明,静止下的侧向入流冲击导致通道中部和内侧区域换热显著强于外侧区域,而旋转导致展向换热差异增大。通道中段局部换热随旋转数增大呈现典型的先减弱后增大的趋势,且对应最低换热水平的临界旋转数随着径向沿程的增大而减小。相比静止通道,旋转通道内的平均换热水平最大下降15%左右(Ro≈0.15),最高相比强化20%左右(Ro≈0.55)。     

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%。     

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。      

半封闭肋化通道射流冲击的实验

运用红外热像测试技术对半封闭肋化通道单排孔射流冲击进行了热像显示实验,揭示出射流雷诺数、冲击间距、肋型排布方式对传热特性的影响规律,并开展了冲击孔流量系数的研究.结果表明:在本文研究范围内,冲击间距与孔径比Zn/d=1时壁面射流区换热效果最好;V型肋化通道在壁面射流区获得了最佳换热效果;冲击孔流量系数随雷诺数增加而变大;在其它工况相同的情况下,V型顺流肋化通道内冲击孔流量系数最大.      

导叶冷却对涡轮级性能影响的数值研究

针对某高压燃气三维扭转涡轮导叶全叶身冷气射流进行了数值模拟,详细分析了在设计转速下改变冷气流量对叶片气动性能、冷却效率和叶栅通道损失的影响;对比分析了在冷气流量相同的条件下,改变转速对涡轮级性能影响.结果表明:不同冷气流量对导叶冷却孔附近区域的静压影响较为明显,而对下游转子的型面静压影响不大;导叶冷气射流对叶栅通道内主流气流角影响较小;冷气流量占主流流量由2.50%增加至6.25%,叶片绝热壁温降幅达11.19%,导叶叶栅通道总压损失和能量损失分别增加了12.95%和12.01%,而涡轮级功率和级效率分别降低了2.39%和1.51%.      

旋转对冲击射流流动及换热影响的数值研究

为了探究旋转对动叶前缘冲击射流流动及换热的影响机制,采用数值模拟的方法对比分析了静止条件和三种不同旋转转速下的流场结构与换热情况。结果表明:冲击靶面的平均努塞尔数随转速的增大而减小,最高转速下,靶面平均努塞尔数下降约16%。另一方面,压力面和吸力面侧对旋转的敏感性不同。高转速下,换热的削弱主要集中在吸力面和压力面无量纲弧长s/d小于2的区域,压力面s/d大于2区域的换热略有增强;旋转对流场结构产生了明显的影响,旋转改变了射流孔的流量分配,在科氏力的作用下,射流向压力面偏转,这种特征随转速的增大而更加显著。另外,旋转通道内的离心力改变了局部横向流强度。      

冷气射流对航空发动机涡轮气动损失的影响

为了研究不同射流环境对航空发动机涡轮叶片气动损失的影响，采用数值模拟的研究方法，分别考虑压力面与吸力面2 种气膜冷却打孔方案，总结在不同吹风比条件下叶栅通道内部流场环境特点，以及不同流场环境下叶栅损失的变化规律。结果表 明：叶栅通道内部气膜冷却射流环境分为低动能比射流环境（动能比小于1）与高动能比射流环境（动能比大于1），这2种射流环境 的边界层、叶栅出口二次流损失、动能亏损情况以及叶栅出口的总压损失系数有不同的变化特点：在低动能比环境下，冷气射流会 贴附壁面流动，进而影响边界层；在高动能比环境下，冷气射流直接与主流掺混。吸力面的冷气射流对叶栅气动损失有较大影响， 当射流动能较大时，使叶栅总压损失变化50%以上；而压力面的冷气射流对叶栅气动损失影响很小，经过计算，压力面的冷气射流 仅使叶栅总压损失系数最大变化0.64%。     

Experimental research in rotating wedge-shaped cooling channel with multiple non-equant holes lateral inlet

The heat transfer in a novel smooth wedge-shaped cooling channel with lateral ejection of turbine blade trailing edge is experimentally investigated in both non-rotating and rotating cases. Beside the conventional inlet at the bottom of the channel, an extra coolant injection from 8 lateral non-equant holes is introduced to improve the overall heat transfer. The total mass flow rate ratio (lateral mass flow rate/total mass flow rate) varies from 0 to 1.0. The major inlet Reynolds number and rotation number respectively vary from 10000 to 20000 and from 0 to 1.16. Experimental results show that the lateral inlet decreases local bulk temperature and increases local heat transfer at the middle and the top of the static channel. In rotating cases, the lateral inlet notably improves the heat transfer at the high-radius half channel and compensates the negative effects induced by the rotation. Both intensity and uniformity of heat transfer inside the channel are enhanced while flow resistance decreases with proper mass flow rate ratio of coolant from two inlets. The most satisfactory total mass flow rate ratio is around 2/3. This new structural style of cooling channel has huge potential and provides new direction of heat transfer of turbine blade trailing edge.     

旋转对光滑U形通道内换热的影响研究

在通道进口雷诺数从6100～25100,旋转数从0～0.26的范围内,实验研究了旋转对光滑U形通道的换热特性的影响。通道长度与水力直径的比值为23,通道平均旋转半径与水力直径的比值为24。结果表明,静止状态下,通道局部努塞尔数随雷诺数增加而增加,但其沿程分布规律基本不变。旋转状态下,第一通道前后缘换热差异随旋转数的增加而增加,在第二通道中正好相反。旋转对第一通道中部转静努塞尔数比的影响最大,而弯道效应则主要影响转弯段及第二通道上游的换热。      

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。      

高旋转数下不同通道转角带肋回转通道的换热特性

提高回转通道气体压力,将实验雷诺数和旋转数范围分别扩展到10000～70000和0～2.08,在此基础上实验研究了高旋转数下通道转角为0°,22.5°,45°的带45°倾角斜肋的方形截面回转通道的换热特性.结果表明:在第1通道,通道转角对后缘面换热的影响整体上强于前缘面,尤其是通道入口段位置;在第2通道,通道转角对换热的影响比较小.对于区域平均换热分布,通道转角为45°的通道平均换热最强,通道转角为22.5°的通道次之,通道转角为0°的通道平均换热在3个通道转角中最弱.      

适用于旋转通道各向异性湍流模型

基于代数雷诺应力方程的简化模型,并结合充分发展旋转通道的直接数值模拟（DNS）湍流脉动数据，发展了一种适用于旋转通道的各向异性k ω模型。采用该模型对进口雷诺数为6000，旋转数为0~0.26的旋转直通道进行模拟，结果表明:将旋转修正系数乘以传统的湍流黏度发展的各向异性k ω模型，能够准确地描述旋转状态下前缘面和后缘面的换热情况，是一种有效的各向异性湍流模型修正方法；旋转修正系数是否合理的关键是对雷诺应力比值进行准确地描述；通道的换热效果与旋转数和流向沿程无量纲位置有关,前缘面的换热随旋转数和无量纲流向距离的增加而减小，而后缘面的换热随旋转数和无量纲流向距离的增加而增大。      

冷气掺混对高压涡轮气动性能影响的数值研究

采用数值方法研究了冷气掺混对高压涡轮气动性能和叶栅通道内部二次流动结构的影响，计算结果表明:冷气流量增加，冷却高压涡轮导叶和转子型面总载荷降低，导叶进、出口马赫数均减小，转子出口相对马赫数在径向0~0.55区域增大而在径向0.55~1.0区域减小.导叶进、出口气流角受冷气流量的变化影响较小.冷气流量由压气机进口流量的4.83%增加至14.49%，转子进口相对气流角在径向0.05~0.95区域增大而出口相对气流角在径向0.6~1.0区域减小，导叶绝热壁面冷却效率先升高后降低而转子绝热壁面冷却效率提高了19.33%.轮毂和机匣封严气呈束状进入转子叶栅通道且腔内封严气流动受旋转轮盘抽吸效应影响较大.      

旋转作用对带肋回转内通道换热特性影响

为了深入了解旋转作用对回转内通道换热特征的影响,采用三维数值模拟方法研究旋转数、旋转半径对带肋内通道模型的流动换热影响。通道入口雷诺数为1.7×104、旋转数范围为0～0.09,出口1、出口2、出口3的质量流量分配比为1∶2∶1,旋转半径与水力直径之比的范围为0～69.6。结果表明:旋转作用力使径向出流通道的压力系数逐渐增大,径向入流通道的压力系数迅速减小;径向出流通道后缘面的努赛尔数(Nu)随旋转数增加而增大,径向入流通道后缘面的Nu随旋转数增加而减小,前缘面Nu随旋转数变化情况相反;前、后缘面Nu沿流向均随旋转半径与水力直径比的增加略有增大,旋转半径变化对壁面换热影响较小。     

旋转U型通道流动与换热特性的数值研究

应用k-ω SST（shear stress transport）湍流模型,计算分析旋转U型通道在不同进口雷诺数（10000~60000）和高旋转数（0~2.013）范围内的流动与换热特性.结果表明:在静止和旋转状态下,进口雷诺数越大,努塞尔数越大.相比于同一工况下的静止状态,旋转显著增强了径向外流直通道的换热强度,径向内流直通道换热强度增大不明显.旋转数对U型通道换热的影响主要通过改变哥氏力和浮升力的大小.受哥氏力的影响,径向外流直通道后缘面换热增强,前缘面换热减弱.浮升力诱发了近壁面的流动分离,使得径向外流直通道前缘面不同位置处的换热强度随旋转数的增加而先减小后增大,计算得到的临界旋转数变化规律与实验测量结果保持一致,即无量纲距离参数与临界旋转数的乘积为定值.      

有无叶顶冷却涡轮叶栅气热性能的旋转效应研究

为揭示叶片或机匣旋转条件和叶顶冷却对涡轮动叶气热性能的影响机理,选用LISA 1.5级涡轮动叶片,构建叶顶冷却孔,开展了不同冷气流量下的数值模拟研究。计算结果表明:不同旋转条件下,当冷气与主流的流量比为0.3%时,叶栅能量损失最低,当流量比为1.0%时,间隙泄漏流量最低、叶顶传热性能最好。叶片旋转、机匣旋转和平移运动都能降低泄漏损失和泄漏流量,叶片旋转时,叶栅出口下游上半叶高截面的能量损失最大降低约26.10%。旋转效应对泄漏损失的影响不随流量比变化而改变,但对叶栅总损失和叶顶传热品质的影响随流量比增加会不同。当流量比小于0.3%时,叶片旋转情况下叶栅总损失低于静止工况但高于机匣运动工况,且叶顶传热品质最优;当流量比大于0.7%时,叶片旋转使叶栅总损失最高,机匣运动使叶顶传热品质最优。