涡轮叶片型面外换热系数计算方法

介绍了适用于无气膜冷却涡轮叶片上包括前驻点在内的整个型面外换热系数的数值计算方法。计算中，驻点区采用考虑了来流紊硫度影响的相似解方法，其它区域引入“紊流度粘性”的概念来求解，实验表明，这种方法较成功地模拟了涡轮叶型型面边界层转捩和过渡区的换热情况。     

中心进气旋转盘流动与换热的数值研究

本文采用混合长度模型及共轭计算的方法对中心进气转静系旋转盘、腔内的流动与换热进行了数值计算, 并与实验结果进行了比较, 证明混合长度模型对转静系旋转盘、腔的流动与换热的计算是可行的。计算结果显示: 冲击区努赛尔特数最大值不在驻点, 而是偏离驻点一段距离; 随着转速和冷气流量的增加, 盘面换热总体加强。      

近距离散冲击射流换热实验研究

涡轮叶片内的冲击换热多取近距离散冲击换热 (冲击距与喷孔直径之比 Zn/dn<3,喷孔中心距与喷孔直径之比 Cn/dn<3)。由于在叶片前缘有气膜出流孔 ,因而对叶片内前缘冲击换热做大面积平均实用意义较小。所以本实验旨在总结近距冲击下驻点连线及驻点附近小面积的换热规律并得出新的经验公式 ,这具有较大的实用意义。     

厚板射流冲击下淬火冷却的换热系数建模计算

建立一种多喷嘴同时喷射淬火冷却的数学模型,通过实测冷却曲线分析计算厚板驻点区与紊流区换热系数分布规律,基于ABAQUS模拟软件模拟验证模型。结果表明:驻点与紊流点处的换热系数随时间分布是不均匀的,在10～20 s内出现峰值,随后呈上下波动变化的规律;实测(或计算)试样心部与表面的冷却曲线与模拟的吻合较好,验证了多喷嘴同时喷射下的换热系数分布模型。     

航天器再入大气层热力分析

以OREX（orbital reentry experiment vehicle）的飞行试验数据和相关的CFD数值模拟结果为基础,采用传热理论及相关公式,分析计算了OREX再入大气层过程中的轨迹,驻点处热流密度非平衡假设和平衡假设下的换热问题.所计算的轨迹、热流密度非平衡假设下计算的驻点温度和热流密度值同试验数据及相关的CFD数值结果取得了很好的一致,相应的计算方法可作为航天器驻点热力分析的通式.然而在平衡假设条件下,尽管计算所得到的驻点热流密度与之前的CFD数值结果差别不大,但这种情况下计算得到的温度与试验数据不符,这应归结于计算的热流密度结果对驻点处温度变化的不敏感.比较非平衡假设和平衡假设下的换热计算结果表明,对于航天器再入过程中的热力探讨不能仅仅满足于热流密度分析,对温度的考察或许更重要.      

壁判据用于计算流体力学（CFD）可信度评估

本文把作者提出的近壁干扰剪切流动(ISF)全域理论与流体运动方程组及流体在壁面上无滑移条件相结合导出一组壁面判据.壁判据为计算流体力学(CFD)仿真的可信度评估提供了基于流体理论的一条直接验证途径.对不可压缩流动的十一个熟知的NS方程组精确解,包括二维驻点和斜入射再附点流,二维分离点和背风驻点流,轴对称驻点和背风驻点流,旋转圆盘附近的三维Von Karman 流、收缩和扩张渠道流和非定常斜入射三维驻点流;以及经典边界层及其无粘外流和相似性边界层及其粘外流的NS方程组解,提出可用于验证近壁流动计算的几个壁相关函数.证实它们准确满足所有壁判据;说明壁判据可用来检验NS方程组数值解近壁计算结果的计算精度并验证其可信度.     

涡轮叶片外换热系数计算方法和比较

从工程实用观点出发，引入考虑主流紊流度影响的经验关系式，对McNally程序的前驻点、层流区计算方法和转捩模型进行了改进；引入“紊流度粘性”和间歇因子的概念，并综合考虑压力梯度、紊流度和进、出口雷诺数等因素对转捩的影响。对STAN5程序的层流区和过渡区计算方法进行了改进，采用相似解方法计算前驻点区的流动和换热，作为STAN5程序的初始条件。用改进的程序，对C3x、MKⅡ、Turner、Daniels和VKI叶型，在多种工况下的二维外边界层流动和换热进行了计算研究，分析和比较了程序中积分法和差分法的特点，总结出一套适用于工程设计计算的方法和程序。     

翼型表面粗糙度对结冰的影响分析

飞机的结冰表面出现微小的凹凸不平,即形成所谓的粗糙度,对飞机气动性能产生一定的影响。在考虑表面粗糙度时,针对对流换热系数的计算建立了热力学模型,同时对只有单个粗糙微元的表面进行了流场计算和表面对流换热效果分析;然后利用边界层积分方法,对某一翼型光滑表面和不同程度的粗糙表面分别进行了流场计算、对流换热系数计算以及结冰冰形的模拟仿真。结果表明：结冰表面粗糙度很大程度增强了表面的对流换热效果,导致在翼型前缘位置结冰厚度更大、冰角突出更为明显并且距离驻点区域更近。     

短距冲击流动下的流型及换热

本文阐述了短距冲击情况下各种流型及相应的各种局部换热特性。对于二维缝射流 ,冲击流流型及局部换热特性显著地受射流紊度的发展程度、靶面对射流的反影响以及高射流速度下压缩性等因素的影响 ,靶面上局部换热的多峰分布取决于这些因素的发展。而对于圆射流排 ,除上述因素外 ,尚有射流三维性质的影响 ,在短冲击距下流动的三维性导致驻点线两侧局部换热有比二维缝射流更陡峭得多的下降速度。     

激光能量沉积降低钝头体驻点压力机制分析

针对高超声速飞行器表面驻点压力较高的问题,在马赫数5的来流条件下,分别采用单脉冲和高重频激光能量注入的方式控制弓形激波。将数值模拟结果与高时空分辨率纹影照片以及驻点压力测量结果相对比,分析了单脉冲激光能量与高超声速流场弓形激波的相互作用过程,结果表明透镜效应是激光能量沉积降低钝头体驻点压力的原因。单脉冲激光能量产生的低压区不能维持,降低驻点压力效率低,因此高重频是更有效的激光能量注入方式。优化了频率为80kHz、功率为自由流焓流6.6%的激光能量沉积位置,计算结果表明当沉积位置与钝头体表面的距离等于钝头体直径的1.5倍时,驻点压力降低了40%。在优化位置提高沉积能量大小至36.9%,可将驻点压力和热流分别降低83.3%和56.9%。     

绊线对大子午扩张涡轮端壁的气动及传热性能影响研究

为了探究绊线对大子午扩张涡轮端壁边界层分离和马蹄涡的削弱效果,分析绊线对大子午扩张涡轮端壁传热特性的影响。对某1.5级涡轮应用SST湍流模型对端壁流动进行精细捕捉,并进行了气动和传热的有效性实验验证。结果显示：绊线减弱了叶片前缘驻点高压区,使得上端壁分离点位置提前;绊线增强了来自涡轮动叶的泄漏涡强度,但极大地削弱上通道涡;此外,中间位置绊线使得总压损失降低了2.28%。叶片前缘热负荷增加,Trip(5.3% E)绊线使得叶片表面热通量降低1.66%。大体上讲,绊线的引入减小了大子午扩张涡轮通道涡等二次流的影响,优化了大子午扩张涡轮的流场,降低叶片表面换热量。     

涡轮叶片复合冷却的实验研究

按照涡轮叶片复合冷却的全过程 ,本文由三部分组成。首先 ,研究了冲击射流对复合冷却叶片前缘内壁的冲击—对流冷却 ,从而整理出在驻点处的内换热系数经验公式以及沿前缘内壁的换热系数变化规律。其次 ,研究了由于从气膜孔喷出的射流引起的气膜冷却效果在不同的吹风比下沿前缘外壁的变化规律。第三 ,由于气膜射流对主流的扰动作用 ,造成了传热的强化 ,由此 ,本文整理出一组局部外换热系数的经验关系式     

气膜冷却涡轮叶片前缘外换热系数的实验研究

本文利用扁圆柱头部模拟涡轮叶片前缘对四个具有不同几何角度气膜孔的模型,测定了无气膜时和有气膜时的外表面换热系数分布规律.通过比较表明:气膜冷却时由于二次流的扰动,破坏了主流的附面层,导致外换热系数增加,这种影响在气膜孔口附近表现得尤为显著,并随着吹风比的增大而增大.本文给出了四个模型的外换热系数变化与主流雷诺数、吹风比、无因次弧长的经验关系式.并认为设计气膜冷却叶片时必须考虑换热系数的变化.     

燃气透平叶型气动与传热的优化设计

建立了一个透平叶型气动与传热优化的两步模型.第1步采用解析多项式曲线构造叶片的参数化造型，基于CFD数值模拟，通过正交设计和敏感性分析，优选几何设计参数.第2步采用贝塞尔(Bezier)曲线参数化叶型型线，以总压损失和表面热流加权函数为优化目标，调整叶型型线，获得了气动性能与热负荷较优的叶型.设计案例的结果表明:增加安装角可以降低叶片压力面热负荷；增大叶片前缘直径可以降低前缘滞止点热负荷.调整叶型的表面曲率分布，有可能推迟吸力面的转捩，弱化叶片表面的传热.两步优化法计算量小，收敛性好，具有工程应用价值.      

来流马赫数对附面层的影响

本文从附面层积分方程出发, 定性地分析了当表面压力系数 C_p分布相同时, 在保证Re数相等的条件下进口 Ma数对附面层发展的影响。并且用数值方法进行了模拟。与此同时用数值方法对由于表面曲率和自由流紊流度所引起的影响作出估计。结果表明; 在表面压力系数分布和 Re相同的情形下, 进口Ma数, 直到临界值附近时, 所引起的附面层的变化量是很小的, 一般在工程允许的误差范围之内。表面曲率所引起的变化同马赫数引起的变化相近, 而进口自由流紊流度引起的变化较之前两者较为明显。      

带单排气膜孔的叶片前缘气膜冷却换热实验

针对叶片前缘结构的特点,建立了前缘气膜冷却实验台,实验模型由半圆柱面和两个平板组成,在距离滞止线2倍孔间距位置布置了1排气膜孔。详细地测量了主流湍流度,二次流与主流密度比以及动量比对前缘径向平均换热系数和换热系数比的影响。二次流与主流密度比为1和1.5。动量比变化范围为0.5~4。主流在前缘位置的湍流度分别为0.4%和8%。结果表明,随着动量比的增加,径向平均换热系数增加。无二次流时,湍流度的增加使换热显著增强,有二次流时,湍流度增加使换热增强的幅度较小。密度比对径向平均换热系数的影响非常小。随着孔间距的增加,径向平均换热系数略有减小。径向角对径向平均换热系数的影响较小。在高湍流度下,前缘位置的径向平均换热系数比沿着流动方向是逐渐降低的。在低湍流度下,前缘位置的径向平均换热系数比在x/d=4.5的位置出现了一个峰值。     

粗糙壁热交换实验研究

 本文介绍了来流马赫数5的条件下,典型球锥模型的粗糙壁热交换实验结果。模型头部半径R为27.4毫米,底部直径D为60毫米,对五个不同粗糙度的模型进行了实验。模型表面粗糙颗粒直径d分别为0、0.3、0.5、0.7、0.9毫米。风洞前室总压P_t为10～45公斤/厘米。,相应的来流雷诺数R_eD为（O.8～3.6）×10⁶。 实验结果表明:光滑壁模型表面是层流加热,驻点热流与层流理论计算值较一致。粗糙度的影响,在低总压条件下（10公斤/厘米）主要在于促使边界层的转捩和发展。随着风洞总压的提高,物面静压和局部雷诺数的相应增大,粗糙度对热流的影响才明显增强,而严重的区域在端头。在实验最大粗糙度和最大总压条件下（d=O.9毫米、p_t=45公斤/厘米。）,除驻点值外,热流与光滑壁层流驻点值相比(q_i/q_so)的峰值在音点区域且接近4,而在驻点,此模型有别于其它模型,较为特殊,比热流最大值接近6,看来这可能与驻点局部外形变化有关。     

来流湍流度及端壁效应对涡轮叶片上对流换热的影响

利用大尺寸低速开式叶栅风洞对涡轮叶片表面的对流换热进行了实验测量,叶片高度方向布置了3个测量位置,距端壁距离分别为5mm,30mm及150mm.重点对比研究了高来流湍流度、端壁效应及来流雷诺数对涡叶片中部及根部区的过渡起始点、过渡区长度及换热的影响。实验参数范围是:来流湍流度Tu=0.75～13.5%,来流雷诺数Re=60000～240000.      

某变循环发动机超声涡轮设计与分析

应用相似理论原理,为某变循环发动机在高、低涵道比两种工作模式下设计了高膨胀比、大焓降超声高压涡轮,叶片造型采用S₁流面三维造型法实现.通过三维数值模拟对设计涡轮在以上两种工作模式下进行了验算,应用Spalart-Allmaras一方程湍流模型求解雷诺平均Navier-Stokes方程,并引入Abu-Ghanam Shaw转捩模型描述叶片表面边界层发展过程.数值模拟结果表明,涡轮在两种工作模式下等熵效率分别达到92.79%和92.31%,优于设计预期;三维造型法考虑了S1流面的物理特征,是一种精确而有效的叶片造型方法.      

电离空气平衡边界层

本文绘出了电离空气层流和湍流边界层方程的一种相对简单又比较精确的解法,用本方法得到的电离空气驻点与非驻点层流及湍流热流与先前的实验与理论结果符合得很好。