带凹坑圆孔气膜冷却流动传热特性

利用大涡模拟方法对平板带凹坑气膜孔冷气射流与主流的相互作用展开研究,并结合红外热成像壁温测试和粒子图像测速结果进行实验验证,揭示了凹坑对气膜冷却的强化机理.结果表明:凹坑在气膜孔下游诱发反肾型涡对,将冷气向壁面卷吸,改善了气膜贴壁性;与圆孔气膜冷却相似,凹坑气膜冷却流场也出现马蹄涡、发卡涡等大尺度拟序结构,但与圆孔下游...     

抑涡孔气膜冷却的大涡模拟

采用大涡模拟研究抑涡孔气膜冷却的流动和换热机理.通过与相同工况下圆孔气膜冷却流场的湍流结构进行比较分析,得出辅孔射流与主孔射流之间的干涉作用,并探索大尺度湍流结构影响气膜冷却效率的物理机制.结果表明:①辅孔射流抑制主孔射流形成的反转涡对的尺寸和强度,并为主孔射流的卷吸提供冷气补充;②由于上游辅孔出流冷气的保护作用以及对主孔出口尾缘低压区的冷气补充作用,主孔射流在气膜孔出口处温度没有急剧升高;③由于辅孔射流的干涉作用,主孔射流并未形成完整的发卡涡结构,而是无规律的近壁条带结构,减少了冷气和主流的掺混,并使冷气更好覆盖和冷却壁面.      

不同来流条件下旋转对气膜冷却的影响

大涡模拟考察了旋转状态来流条件对单孔平板气膜冷却的影响,气膜孔沿流向倾斜30°,气膜出流的雷诺数为2 600,吹风比为0.5,计算了静止和旋转数为0.02时气膜冷却的流动和换热,对比两种主流进口条件下旋转对气膜冷却的影响。计算结果表明：（1）均匀来流条件下,旋转主要使发夹涡结构产生非对称分布,裹挟气膜向高半径方向偏转;（2）充分发展的来流条件下,旋转使来流边界层内产生湍流结构,淹没了射流进入主流时产生的发夹涡,引起更强烈的射流扩散,增大了气膜覆盖范围,降低了气膜冷却效率的峰值;（3）旋转通过改变来流边界层内的湍流结构对气膜冷却的影响更显著。     

基于分离涡模拟的平板气膜涡系结构与流动损失数值研究

气膜冷却在保护高温部件的同时,主流与冷气干涉会形成复杂的涡系结构并造成掺混损失,研究二者之间的作用机理对指导气冷涡轮优化设计具有重要意义。本文采用DES (Detached-Eddy Simulation)方法对平板圆柱气膜孔的流场进行非定常数值模拟,分析了涡系演变规律以及掺混损失。结果表明：随着吹风比的提高,冷气射流与主流的流动掺混过程表现为两种不同的模式,低吹风比时下游冷气主要受顺时针方向的迎风涡控制,高吹风比时逆时针方向的迎风涡和顺时针方向的背风涡同时控制下游冷气运动;频谱分析显示,流场扰动存在着明显的倍频关系,基频信号由脱落涡产生,频率大小与吹风比呈线性关系;损失分析表明,流场损失主要由冷气与主流的温差换热导致,占总熵损失的90%以上。     

气膜孔结构对涡轮导叶端壁冷却效率的影响研究

对涡轮叶栅端壁上游4种气膜冷却结构模型进行了数值模拟,得出在不同吹风比情况下涡轮叶栅端壁的流动与换热特性。结果表明,无槽气膜孔冷气射流在孔下游与主流相互作用形成1对转动方向相反的耦合涡,主流被卷入耦合涡并冲击到了端壁,使得孔间壁温接近主流温度,气膜冷却效率很低;带槽气膜孔抑制了耦合涡的形成,冷却了孔间端壁,气膜冷却效率较高,而且,随着槽深度的增加,冷气的展向(Y向)宽度逐渐增加,扩大了冷气覆盖区域,提高了端壁气膜冷却效率。     

肋角度对气膜冷却特性的影响

在光滑二次流通道的基础上,分析对比了两种带肋通道(135°肋和45°肋)对气膜冷却特性的影响.采用瞬态液晶测试技术获得了气膜孔下游表面传热系数比与气膜冷却效率分布.使用Fluent软件RANS数值方法对相应结构进行了数值模拟,并使用了realizable k-ε湍流模型.光滑二次流通道模型中,气膜孔内流线呈螺旋状分布,导致较大的孔内速度分离与流动损失.冷气射流分成两部分,其中一股形成一对偏斜的对转涡.135°肋结构中,二次流通道上部分的旋转涡为顺时针方向,使得气流易于流入气膜孔,气膜孔内流线呈直线分布.45°肋结构中,二次流通道上部分旋转涡为逆时针方向,增强了气膜孔内旋转涡.45°肋结构中冷气流入气膜孔之后的流动结构与光滑二次流通道结构相似.135°肋结构气膜冷却效率最大而表面传热系数比最低.     

冲击发散冷却流场结构PIV测量

为了研究冲击发散冷却结构的流场特性,设计了一典型冲击发散冷却结构,采用粒子图像测速仪(PIV)对其流场特性进行了研究.研究发现,在冲击板与发散孔板间,气流的流动状态很复杂,在各个方向上均形成大量的涡,且涡的形式和强度均随吹风比的变化而变化.在发散气膜侧,随着吹风比的增大,由发散孔流出的冷却气流会逐渐穿透主流,从而使得冷却气膜层愈来愈不稳定,脱离壁面;而在发散孔出口与主流方向垂直的位置会形成一对旋转方向相反的肾形涡,且涡的位置随吹风比的增大而移向主流区域.      

气膜冷却对激波与边界层相互作用影响的数值模拟

针对跨声速平面叶栅中气膜冷却对流场的影响,采用数值模拟的方法,分析了激波和边界层的相互作用及引入气膜冷却之后三者之间的影响。结果表明,由于激波形成的逆压力梯度导致边界层出现分离现象,在引入冷却射流以后被部分抑制,流场细节显示在原分离处新形成了两个方向相反的分离旋涡。保持冷却条件不变,随着孔间距的减小,边界层分离现象被抑制的效果更加明显,平面叶栅热力损失系数逐渐减小。当孔径和孔间距之比达到0.67时,相对于没有引入气膜冷却的情况,热力损失系数降低了13%。冷气流量对射流和主流相互作用流场影响显著,冷气出口局部超声速区域显著增大流场损失,降低冷却效果。     

内冷通道横流条件下气膜冷却特性

为了研究内冷通道横流条件下气膜冷却的流动和换热特性,采用窄带瞬态液晶测量技术获得了内冷通道横流条件下吹风比分别为0.5,1,2时气膜孔下游冷却效率和表面传热系数云图,并通过数值模拟得到了气膜孔内及下游区域流场的详细信息.结果表明:内冷通道横流对气膜孔下游冷却效率和表面传热系数分布有重要的影响.横流增强了气膜孔射流的展向分布能力,增强了高吹风比时气膜冷却效果.另外,气膜孔下游涡的分布出现明显的不对称性,涡的结构更加复杂.      

出流结构对涡轮叶栅端壁气膜冷却效率数值研究

通过对涡轮叶栅端壁上游不同气膜冷却结构模型进行数值模拟,得到了不同吹风比情况下,涡轮叶栅端壁的流动与换热特性.结果表明:圆柱形孔冷气射流在孔下游与主流相互作用形成一对转动方向相反的耦合涡,对涡轮叶栅端壁的气膜冷却效果不利.前向扩张孔降低了孔下游耦合涡的强度,对涡轮叶栅端壁总体气膜冷却效率要优于圆柱形孔.前向扩张缝结构增大了射流宽度,冷却了孔间端壁,对涡轮叶栅端壁总体气膜冷却效率要优于圆柱形孔和前向扩张孔.      

高旋转数内冷通道换热实验技术及验证

通过内冷通道换热理论分析及实验系统优化,获得了使内冷通道内气体压力保持在500kPa以上的高旋转数实验技术.旋转数和雷诺数的范围分别为0~2.08,104~7×104,极大满足了旋转数与雷诺数同时覆盖真实发动机涡轮叶片工作参数的实验需求.证实了雷诺数和旋转数对内冷通道换热的影响可以解耦.而应用该实验技术进行同等旋转数实验时,内冷通道热损失占总加热量的比例和实验误差分别降低到18%和±10%.     

旋转状态下气膜冷却效果的数值研究

为探讨旋转状态下气膜冷却的效果,在不同吹风比和旋转数下,对带有气膜冷却的涡轮叶片进行三维数值模拟,研究了旋转效应对叶片表面冷却效率的影响。结果表明,当叶片旋转时,压力面上的冷却效率增大,吸力面上的冷却效率降低。叶片表面气膜冷却效果随着旋转数的增加而下降。旋转效应对叶片表面冷却效果的影响程度依赖于吹风比。当吹风比增大时,气膜冷却效果随着旋转数的增加而下降的趋势增大。     

旋转状态下曲率对气膜冷却影响的分析

 作为广泛应用于航空发动机涡轮叶片上的气膜冷却技术，其效果会受到叶片表面曲率、旋转、密度比等因素的影响。在通过理论分析着重研究了旋转状态下曲面上的气膜出流后，给出了评价曲面气膜出流受旋转速度影响的无量纲量局部旋转数。并且对各种影响因素进行了分析。在凸表面上，小局部旋转数会导致气膜趋于脱离壁面；大局部旋转数会使气膜趋于吸附壁面；对于凹表面，局部旋转数的影响正好相反。当局部旋转数很小时，动量流量比成为影响气膜出流脱离壁面与否的重要因素。文中并且给出了数值验证。     

旋转状态气膜换热机理的数值研究

大涡模拟研究了旋转对单孔平板气膜冷却的影响,气膜出流的雷诺数为2600,吹风比为0.5,计算了静止和旋转数为0.02两种状态的流动和换热,从湍流结构演化的角度讨论了旋转状态气膜换热的机理.结果表明:①发卡涡是决定气膜换热的主要湍流结构,旋转状态发卡涡的形状和运动规律主要受哥氏力的影响;②气膜在哥氏力作用下向高半径方向偏...     

旋转状态边界层速度场及温度场特性实验

针对涡轮转子叶片内冷技术,使用TR-PIV(time resolved particle image velocimetry)技术与热线技术同步原位测量了壁面加热条件下旋转通道内边界层速度场和温度场特性。结果显示:旋转数大于0.48时前缘面附近出现了回流现象,并从受力分析的角度给出了解释;回流区一般出现于流场下游、较大密度比、较高旋转数下,可以利用回流区的影响达到增强前缘面换热的目的;得到了旋转条件下无量纲温度型、温度脉动量和努塞尔数的变化规律,可以看出湍流边界层内部的温度场分布在旋转效应的影响下产生了强烈的不对称性,与静止条件下的标准规律相比会产生一定的偏差。     

旋转对曲率表面气膜冷却效率影响的数值研究

通过对旋转状态下曲率通道的气膜冷却现象的流动和换热进行数值模拟,得到了不同旋转数下凸表面和凹表面的冷却效率分布。计算选用剪切应力输运(SST)湍流模型,主流雷诺数ReD=4 797,吹风比M=0.4,旋转数Rt=0~0.023 9。研究结果表明,旋转数对冷却效率的影响明显：旋转数的增大使得气膜的轨迹偏转越明显,并且凸表面上气膜轨迹的偏转程度高于凹表面的。凸表面的冷却效率随着旋转数的增加而逐渐减小,而凹表面的冷却效率随着旋转数的增加而递增,并且旋转数的增加会弱化凸表面和凹表面上冷却效率的差别。     

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。      

旋转涡轮叶片前缘热色液晶测温技术研究

建立了基于频闪拍照和液晶测温技术的旋转态全环涡轮叶片前缘外壁面温度场测量系统，研究了不同旋转状态下前缘外壁面温度场特性。实验结果表明:该系统能够获取旋转状态下全环涡轮叶片前缘外壁面温度分布，并具有足够的分辨率和精度；随着旋转数的增加，前缘气膜冷却效率整体呈下降趋势，且加剧了压力面和吸力面气膜冷却效率的不均衡。      

旋转条件下带出流孔的受限空间内冲击换热

以旋转涡轮叶片内部冷却为背景,在旋转条件下对带出流孔的受限空间内冲击换热特性进行了实验研究。在冲击与旋转方向、相反两种情况下,通过改变冲击雷诺数Rej(5 000~10 000)、旋转数Ro(0~0.003 4)、无因次温比(Tw-Tf)/Tw(0.056~0.134)对冲击靶面的平均换热特性进行了研究。研究发现,靶面的换热随冲击雷诺数的增加而变好;旋转对冲击换热的削弱在雷诺数较大时表现更明显;实验参数范围内浮升力对换热的影响较小;离心力、哥氏力等对换热的影响程度与内部空气的流动结构及出流方式有关。