网格阵列填充冷却通道内超临界正癸烷流动传热特性的数值研究

采用碳氢燃料冷却壁面是超燃冲压发动机常用主动冷却方式。为减轻主动冷却通道结构重量、提高冷却效率,本文探讨了以网格结构为填充的新型通道,从结构轻质化、流动特性及综合传热能力等方面与常规矩形主动冷却通道进行了比较。结果表明,在相同工况下,由错排网格填充的冷却通道结构综合性能最佳,其减重效果达39.93%,壁面温度显著下降,且努塞尔数最高达到光通道的2.156倍。从流动传热机理分析可看出,网格前缘冲击效应形成的马蹄涡和后缘附近发卡涡结构对强化传热贡献最大,扰动边界层和激发湍动能也是强化传热的重要因素。     

具有边缘倒圆凹陷涡发生器换热性能实验

使用瞬态液晶(TLC)热像传热测试技术,对具有边缘倒圆的凹陷涡发生器局部传热特征和流动阻力进行了实验研究。凹陷边缘倒圆方案有2种:凹陷前边缘倒圆和凹陷边缘全部倒圆。凹陷的投影直径与通道高度比为1.0,凹陷深度与直径比为0.2,实验雷诺数范围为10 000~60 000。实验结果表明,在选取的雷诺数下,相比于光滑通道,边缘无倒圆的常规球型凹陷涡发生器阵列表面对流换热性能提升了约62.0%,相应的摩擦因子也增大了约73.0%。与无倒圆的常规球型凹陷涡发生器相比,边缘全倒圆的凹陷涡发生器换热性能提升了约3.6%,摩擦因子降低了约4.6%;前边缘倒圆的凹陷涡发生器换热性能提升了约11.0%,摩擦因子提高了约5.2%。综合看来,边缘倒圆使得凹陷涡发生器内部表面传热更加均匀;前边缘倒圆的凹陷涡发生器综合换热性能最高,比边缘无倒圆的常规凹陷涡发生器高出约9.6%;而边缘全部倒圆的凹陷涡发生器的综合换热性能比常规凹陷涡发生器高出近4.4%。     

液体火箭发动机推力室冷却通道流动与传热数值研究

采用气固耦合算法对液体火箭发动机推力室再生冷却通道的流动与传热过程进行了三维湍流流动与传热数值模拟，冷却工质为氢气，其密度、导热系数、动力粘度随着温度和压力而变化。应用大涡模拟及标准k-ε双方程模型两种湍流模型分别进行数值模拟，详细揭示了再生冷却通道固体区和流体区内的速度场和温度场，并在不同的计算网格数目下对两种湍流模型的计算结果进行了对比。结果表明，在相同的网格条件下，标准k-ε双方程模型与实验数据的吻合精度比大涡模拟模型更好，且满足工程计算精度。随着网格数的增加，大涡模拟的计算精度逐渐得到改善。     

矩形涡发生器在翅片管换热器中强化换热研究

翅片管换热器在工业领域广泛应用，对带有矩形涡发生器的翅片管换热器流动与换热特性进行数值模拟研究。对比分析矩形翼涡发生器迎流夹角分别为50°、60°、70°和80°时换热器的传热和流动特性，夹角为60°、70°时的换热性能较高。综合考虑换热能力与压力损失，夹角为60°时换热器的综合性能最好。在迎流夹角为60°前提下，研究涡发生器无量纲结构尺寸为2.25、2、1.75和1.5时换热器的流动和换热性能，涡发生器无量纲尺寸为2时综合性能最佳。     

涡轮叶片内部微小V肋-凹陷涡复合冷却流动与传热数值模拟

为强化航空发动机涡轮叶片内冷通道传热性能,针对带有微小V肋-凹陷涡高效复合冷却结构矩形通道,采用Abe Kondoh Nagano （AKN） k-ε湍流模型数值模拟研究了肋高与凹陷深度组合对流动传热特性的影响机理。结果表明,当凹陷深度一定,复合结构的强化换热效果随肋高增加而增加,3mm肋高复合结构的传热相比纯凹陷提高了87.1%;当肋高一定,传热随凹陷深度增加先增强后基本保持不变,6mm深凹陷复合结构相比纯V肋提高了52.8%。通过在凹陷上游布置V肋,增强了越过V肋冲入凹陷内流体的湍动能,从而使凹陷前部回流区减小;同时来自微小V肋的涡流与凹陷内部的涡流相互作用,增强了整个流场的动量和热量输运,使通道换热均匀,并相较纯凹陷或纯V肋结构均有显著提升。     

三角形涡发生器综合换热性能全局优化和知识挖掘

为了强化布置三角形涡发生器的U型通道综合换热性能,耦合基于子元模型的全局优化算法、三角形涡发生器参数化方法、三维RANS方程求解技术与基于总变差分析的知识挖掘技术,建立了高效的三角形涡发生器综合换热性能优化与知识挖掘方法。在验证本文数值方法正确性的基础上,以综合换热性能最优为目标函数,对布置于U型通道内的三角形涡发生器进行设计优化与知识挖掘。优化后,最优设计的三角形涡发生器诱导产生的下洗涡对的强度和间距增加,使得U型通道的综合换热性能相对提高了14.5%。同时对设计空间进行知识挖掘,筛选对综合换热性能影响显著的设计变量,分析显著变量对目标函数的影响机制。结果表明:三角形涡发生器的高度对通道换热能力和阻力损失的影响最为显著,而三角形涡发生器的宽度对通道综合换热性能的影响最为显著。     

不同流动配置下涡轮叶片交错肋冷却流动传热特性数值模拟

为掌握交错肋冷却结构应用在涡轮叶片不同区域的流动传热性能,针对一种交错肋冷却结构在三种不同流动配置中在等质量流量和子通道雷诺数工况下进行了数值计算研究,三种流动配置包含了径向流动配置（RFC）, 横向流动配置（CFC）和转折流动配置(TFC)。通过比较本研究得到的数值模拟结果与公开文献中的实验数据,定性定量地验证了本次数值计算的有效性。在等冷却质量流量下,RFC配置拥有最高的平均努塞尔数和压力损失,而CFC和TFC配置的平均传热性能相似且明显降低,但压力损失大大减少。在相同的子通道雷诺数下,三种流动配置下的交错肋通道展现出相似的传热强化性能,但TFC配置的压力损失最小。在研究范围内,在RFC配置中肋表面的平均换热比主表面的平均换热约高出16.3%,而在CFC配置和TFC配置中该值则分别高出38.2%以及 30.6%。不同的流动配置会引发子通道内不同的流动特性,包括流动转折和子通道间的交互作用。     

八面体桁架结构在内冷通道中的流动传热特性研究

为探究八面体桁架结构在航空发动机热端部件内冷通道中的可应用性,掌握八面体桁架结构的流动传热特性,本文采用理论推导和三维数值模拟的方法,对八面体桁架单体的有效导热系数以及八面体桁架阵列结构的流动结构和传热性能开展了研究。首先,针对八面体桁架单体结构,推导出了考虑节点效应的有效导热系数关系式,并通过与数值计算结果对比,验证了其有效性。其次,针对八面体桁架阵列结构,开展了整体结构的三维数值计算,分析了其内部通道的流动结构和温度分布,获得了不同结构的流动阻力和对流传热系数随雷诺数的变化规律。最后,考虑到结构的综合传热性能,本文针对不同孔隙率的八面体桁架阵列结构,进行了基于相同泵功率下努塞尔数的对比。根据计算结果,本文给出了获得最佳传热性能的无量纲直径范围0.07~0.08,相应的孔隙率变化范围 0.872~0.841。分析其原因,由于随着结构孔隙率的减小,即固体率的增加,对流传热强度不断提高,然而,当孔隙率减小到84.1%以下时,由于内通道中流动阻力骤然增大,导致传热效率降低。将八面体桁架结构应用于航空发动机热端部件内冷通道中,是同时出于高效冷却和力学性能的考虑,本文掌握八面体桁架阵列结构的流动传热特性,为其在实际工程中的应用提供了理论支撑。     

高超声速进气道强制转捩流动的大涡模拟

吸气式高超声速飞行器常在进气道边界层内布置粗糙颗粒或涡流发生器强制流动转捩为湍流以确保发动机正常启动。为了清晰认识强制转捩过程,采用隐式大涡模拟方法,对强制转捩问题开展了数值模拟研究。针对钻石形和斜坡形涡流发生器,计算得到涡流发生器诱导的流动结构,显示出强制转捩流动由涡流发生器产生的反向旋转流向涡对主导。扰动沿流向增长和发展,导致流向涡对以偶模式或奇模式失稳,偶模式失稳产生对称形式的涡对破碎,而奇模式失稳则导致非对称（弯曲）形式的涡对破碎。流向涡对破碎后产生一系列发卡涡并最终促使边界层转捩为湍流。最后就计算网格和数值耗散对隐式大涡模拟结果的影响以及计算的收敛性进行了讨论。     

涡产生器倾角对换热器内流动与换热特性的影响

为优化涡产生器强化传热的性能,通过改变三角翼式涡产生器的倾角,数值分析了倾角变化对板式换热器通道内流动与换热特性的影响,倾角变化范围为-30°～30°。获得了不同倾角下通道内的纵向涡、涡量分布,换热及阻力特性。结果表明涡产生器倾斜方向对流动与换热的影响不同,存在最佳的涡产生器倾角-10°,使得换热通道内涡产生器强化换热的性能最优;改变倾角可进一步提高涡产生器的强化传热性能,不同倾角对应努塞尔数和热性能评价因子间的最大差值分别达到8.9%和5.7%。     

复杂空冷叶片换热特性研究

为了深入了解空冷透平动叶的冷却机理和冷气流动特性,对某重型燃机透平动叶进行了气-热耦合数值模拟。结果表明,叶尖开孔可以促进冷气在蛇形通道中的流动,改善冷却效果;涡流矩阵通道中子通道的宽度与高度比减小会加大涡流矩阵通道中的流动阻力,从而改变冷却的效果,其宽高比与冷气进口条件存在一个最佳组合关系;涡流矩阵通道结构与叶尖之间的间隙会降低冷气的利用率。     

超临界压力下正癸烷在水平矩形冷却通道内的流动传热数值模拟

为了研究浮升力效应对超燃冲压发动机燃烧室不同位置冷却通道传热特性的影响,对超临界压力下正癸烷在水平矩形冷却通道内的流动传热-固体导热耦合过程展开了详细的数值模拟研究。重点考察了燃烧室不同位置的冷却通道中浮升力对温度以及热流分配的影响及其机理。结果表明：由浮升力引起的二次流动使燃烧室不同位置的冷却通道温度分布和热流分配呈现显著的差异;浮升力提升了燃烧室不同位置冷却通道的换热效果,其中受热方向和重力作用方向相同的冷却通道换热性能提升得最多;修正的Jackson&Hall经验公式不能预测浮升力对冷却通道壁面对流换热的影响,需要寻找其他的经验公式或使用CFD手段进行计算分析来解决这一问题。     

液氧甲烷发动机台阶型冷却通道的耦合传热特性

为了研究液氧甲烷发动机再生冷却通道中跨临界甲烷的流动和传热特性,以及冷却通道较大幅度的突扩突缩对冷却效果的影响,采用整场直接耦合的方法对推力室三维耦合传热进行了数值模拟,考虑了燃气的非平衡流动.通过计算得到了推力室三维温度场和流场.计算结果表明：由于喉部截面附近存在较强的二次流,燃气侧壁面温度的最大值出现在喉部上游.由于突扩突缩处存在较强的旋涡运动,冷却剂的湍流强度增强,冷却剂侧表面传热系数显著提高,燃气侧壁面温度出现局部极小值,同时也产生了较大的局部损失.由于铜内衬热阻比镍外套热阻小得多,从燃烧室进入的大部分热量在冷却通道底面和侧面被冷却剂吸收.冷却通道底面的温度和热流密度沿程变化比顶面更剧烈.     

双层壁冷却结构中多排射流冲击冷却的换热和流阻特性

采用稳态热敏液晶技术对双层壁冷却结构中的多排（包括顺排和叉排）射流冲击冷却结构进行了风洞实验,同时结合数值模拟的方法,对两种射流冲击冷却结构的传热和流阻特性的差异进行了研究。实验结果表明:流量系数和冲击靶板上的努塞尔数均随着雷诺数的增大而增大,而冲击孔的排布方式对面平均努塞尔数的影响较小,但是叉排结构的流量系数高于顺排结构,且冲击靶板上换热更加均匀。数值结果显示冲击靶板中心区域的流量分配和换热均随着冲击距离的增大而增大;而在下游区域内恰好与之相反。      

复合材料主动冷却薄壁燃烧室设计分析

通过建立流固耦合传热模型,对不同尺寸冷却通道的主动冷却薄壁燃烧室结构瞬态传热特性进行数值模拟,给出了主动冷却燃烧室的瞬态温度场分布及其演化.再采用有限元法计算燃烧室的热应力和应变,从而揭示了冷却通道几何参数及内部煤油体积流量对燃烧室薄壁结构最高温度和热应力的影响规律.计算结果表明:在充分发挥煤油冷却效果前提下,冷却通道距离燃烧室内壁距离越近,所需煤油体积流量越大,而燃烧室结构热应力在10s左右达到最大值,设计时应着重考虑这段时间内的材料性能.      

具有针肋的狭窄空间冲击冷却实验和数值计算

对具有全高度针肋扰流的狭窄空间冲击冷却进行了实验和数值计算,并与平板靶板冲击冷却传热性能进行了对比分析.射流冲击雷诺数范围为15000~30000.实验采用瞬态液晶热像技术获得了冲击靶板上详细的传热分布,并通过数值计算获得了冲击冷却系统中的流场和传热特征.实验研究表明:狭窄空间冲击冷却中的针肋靶板端壁上的平均传热性能比平板靶板提高约7.0%,压力损失提高约17.9%,并且针肋改善了靶板端壁上传热均匀性.另一方面,数值计算分析表明近壁面射流以及空间中的上洗涡流与针肋表面发生强烈相互作用,并且针肋显著地增加了换热面积,因此具有针肋扰流的冲击冷却系统具有显著增强的总体传热性能,比平板冲击冷却提高约27.0%.      

水滴形叉排扰流柱阵列矩形通道内流动和换热数值模拟

运用数值计算的方法对具有水滴形叉排扰流柱阵列矩形通道内的流动和换热过程进行了三维数值研究,获得了通道内流场、压力场以及壁面对流换热的基本特征,并与具有相同截面积的圆柱形扰流柱进行了对比分析。研究结果表明:在本文研究的范围内,与圆柱形扰流柱相比,水滴形扰流的强化换热效果约下降约15%,但流动阻力却下降了近50%。      

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.      

超临界压力下碳氢燃料裂解与流动传热模拟的快速算法

为了快速预测发动机冷却通道内碳氢燃料在考虑热裂解时的流动传热特性,基于正癸烷热裂解反应机理,建立了一套模拟正癸烷裂解吸热和超临界压力传热现象的快速算法。采用三维物性库查表算法计算裂解反应混合物的热物性,同时对组分输运方程进行简化,简化后只需求解1个组分输运方程。通过与现有的实验和数值结果进行比较,检验了快速算法的计算效率和可靠性。结果表明,快速算法与求解全组分输运方程的算法精度相当,但计算效率提升了约20倍。最后采用该算法对三维矩形截面冷却通道内的超临界压力正癸烷裂解与传热过程进行数值模拟,进一步考察了本文快速算法的计算精度及其工程应用价值。