涡轮叶片型面换热系数计算

本文用数值方法计算了无气膜冷却涡轮叶片上包括前驻点的整个型面上的换热系数。驻点区采用相似方程计算, 并用圆柱绕流近似表示驻点附近流场。较成功地模拟了边界层转捩和过渡区的换热情况。计算中考虑了来流湍流度的影响。      

涡轮叶片型面外换热系数的数值计算

在原STAN5计算程序的基础上,进行了改造和完善,从而形成了一个可供工程应用的计算二维涡轮叶型换热系数的实用程序。对六种不同的涡轮导向叶片和工作叶片进行了不同进、出口雷诺数,马赫数以及不同压力梯度和主流紊流度条件下的19个工况的流动换热计算。与实验数据比较表明,本程序应用于涡轮叶片型面换热系数的计算是成功的。     

涡轮气冷叶片局部外换热系数计算方法的改进

本根据目前航空发动机涡轮气涡叶片的设计要求，在献^[1]的基础上，引入燃气热物性曲线拟合公式；考虑了主流紊流度对前驻点，层流区换热以及转捩的影响。     

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。     

某型发动机涡轮冷却叶片的流动换热耦合计算研究

在对某型涡扇发动机高压涡轮转子叶片冷却结构分析的基础上，建立了流动换热分析的气热耦合计算模型．采用通用流体力学计算软件完成了高压涡轮转子叶片复杂结构的内外流场和温度场的一体化计算，得到了涡轮叶并流动换热的数值计算结果，对其冷却结构的换热效果进行了分析，并对气热耦合计算在涡轮冷却叶片设计中的应用进行了分析和探讨。     

旋转带肋U型通道内流动与换热的数值模拟

为了获得能够模拟高参数涡轮叶片内冷通道换热效果的模型，数值模拟了旋转状态下U型通道内的流场和温度场，比较了数值模拟与实验的结果。结果表明：所采用的计算程序和模型与实验结果吻合。旋转状态下，通道内各面换热的变化是和通道内流场的变化密切相关的；哥氏力在垂直于旋转半径截面上的不均匀分布引起流动较大变化，对通道内各面换热的影响比较大。哥氏力的作用较大幅度强化指向面换热，小幅强化两侧面换热，而弱化背向面换热。对于带肋通道，总体上阻力系数随着旋转速度的增加而升高。     

用低雷诺数k-ε湍流模型计算涡轮叶片的对流换热

考虑压力面强顺压梯度及吸力面逆压梯度对Ｓｃｈｍｉｄｔ Ｐａｔａｎｋａｒ低雷诺数湍流模型进行改善,使之能用于模拟涡轮叶片上的对流换热情况。计算了６种涡轮叶片的１８个工况。参数范围是：出口雷诺数Ｒｅ２＝０５６×１０６～２７３×１０６;来流湍流度Ｔｕ∞＝０８％～８３％;平均壁温与气流温度比Ｔｗ／Ｔ０＝０６７～０８２。结果表明,在叶片上的传热计算与实验符合得很好     

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。     

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。      

基于热色液晶技术的尾迹对涡轮动叶表面换热系数影响研究

为探究上游尾迹影响下的涡轮动叶表面换热特性,采用热色液晶技术测量了尾迹对光滑叶片表面换热分布的影响,获得了高低湍流度(2%,20%)来流时不同尾迹斯特劳哈尔数(0,0.12,0.36)条件下光滑动叶表面换热系数的实验数据。结果表明:当湍流度为2%时,随着尾迹斯特劳哈尔数增加,压力面换热系数增高幅度最大为142%,前缘区域增高幅度最大为7%,吸力面增高幅度最大为186%。当湍流度为20%时,尾迹对换热系数的影响相对减弱,随着尾迹斯特劳哈尔数增加,压力面换热系数增高幅度最大为10%,前缘区域增高幅度最大为10%,吸力面增高幅度最大为26%。尾迹导致吸力面转捩点提前,过渡区延长。整体看来,尾迹导致光滑叶片表面换热系数升高,对吸力面换热系数的影响大于压力面。     

考虑涡轮传热性能的气动设计耦合计算方法研究

为了在涡轮叶片气动型线设计过程中同时提高气动效率并保证传热性能,提出了一种基于一维管道网络法和三维CFD的耦合计算方法,分别采用管网/三维耦合计算方法和全三维耦合计算方法对MARK-II冷却叶片多个工况进行计算,两种数值计算方法计算结果与实验数据交叉对比,以验证本文计算方法可行性。计算结果表明,两种数值计算得到的叶片型面压力、温度、换热系数和实验值都比较吻合,但管网/三维耦合计算得到的壁面温度相比全三维耦合计算结果整体略微偏低,最大偏差不超过3.89%。基于管网/三维耦合计算方法对某航空发动机涡轮第二级动叶叶片型线优化设计,气动效率提高0.34%,壁面平均温度几乎没有变化。     

[γ-Reθt]转捩模型在跨声速涡轮叶栅中的应用

为了解涡轮叶栅在跨声速条件下的流动特性和准确预测涡轮叶栅外换热情况,对γ-Reθt转捩模型,依据零压力梯度时自由流湍流度衰减实验结果,给出了一种直接估算来流粘性比的方法,以保证叶片前缘附近具有正确的自由流湍流度分布,提高换热预测准确度;同时减少试算次数。对MARK II与VKI两种叶栅通道跨声速工况下的流动换热情况使用CFX软件,选取层流模型、SST k-ω模型以及缺省粘性比和设定合理粘性比的γ-Reθt转捩模型进行了数值模拟验证,计算结果与实验数据的对比表明:转捩模型优于其他模型;而采用本文方法给定进口粘性比,能准确预测转捩位置,同时显著改善γ-Reθt转捩模型对不同来流湍流度下涡轮叶栅表面换热的预测精度;当入口湍流度较高,相比采用缺省粘性比情况,压力面上换热系数的相对误差降低30%以上,控制在7%左右。     

涡轮叶尖间隙计算实现方法与结果分析

叶尖间隙分析是研究叶尖问隙控制方法，改善发动机性能的重要内容。本文应用有限元ANSYS软件分析了某型发动机高压涡轮在温度场及离心力作用下叶尖间隙在发动机工作过程中的变化情况，介绍了涡轮各构件换热边界条件的计算方法，给出了对涡轮盘施加温度场的新方法。计算结果表明：除起动初期及停车前的很短时间外，离心力引起的涡轮盘径向位移为轮盘总位移的20％左右；离心力所引起的叶片径向位移约为叶片总位移的5．5％。     

复合式气冷涡轮叶片内冷气流动和换热计算

本给出了复合式气冷涡轮叶片内冷气流量分配，温增和换热系数迭代求解方法和计算实例。并且，讨论了转动效应对冷气流动和换热的影响。它已成功地应用于高性能推进系统气冷叶片设计，而且，也可用于气冷涡轮叶片改型和膜底分析，验算。     

大载荷跨音速高温涡轮复合式气冷叶片设计、试验和分析研究—（一）设计、计算

本文提出了一套跨音速涡轮复合式气冷叶片内冷气流量分配，温增，内，外换热系数和温度场计算方法，对设计的“冲击－对流－气膜”多种冷却方案进行了计算。择优选取了四套叶片内冷结构，精心地进行了结构设计。通过根据叶片与实测参数计算的叶片壁温分布与实测值比较，验证了本计算方法的可靠性和精确度，证明行之有效。     

冲击冷却局部换热特性的实验研究

木文研究了用单排圆射流冲出冷却的方法来模拟涡轮叶片前缘的局部换热特性。通过对大量实验数据的分析研究,发现局部换热系数的分布曲线是一个分段函数:驻点区为高斯分布函数,壁射流区为幂函数分布。文中还分析了射流雷诺数、射流孔与试验靶之间的无因次距离、冲击管和试验靶的无因次结构尺寸等对局部换热系数及其分布的影响。最后,用最小二乘法整理出一组描述冲击冷却局部换热特性的经验公式。这些公式对冲击冷却叶片的设计具有一定的工程实用参考价值。      

用气膜冷却来防止热斑引起的涡轮叶片过热

为了防止燃烧室出口热斑引起涡轮叶片过热，通过求解二维非定常N-S方程研究了热斑对高压涡轮一级叶片型面压力和温度的非定常影响，并对气膜冷却这种热防护方法进行了尝试。计算结果与公开发表的实验数据基本吻合。结果显示热斑的存在对涡轮级型面压力影响微小，但是会导致动叶型面特别是压力面的温度显著升高并随时间大幅波动。在动叶压力面鳃区引入气膜冷却对型面压力和热斑在涡轮级内的运动影响不大，但可以有效地阻隔高温热斑与压力面的直接接触，并显著降低壁温和减小温度随时问波动的幅度。     

带有微型涡轮的旋转盘腔局部换热特性

对带有微型涡轮的转-转系涡轮盘腔进行了换热试验。微型涡轮的主要作用是使冷气通过上游涡轮盘的反旋喷嘴推动涡轮盘转动，从而降低气流的总焓，同时改变气流的旋转速度，形成更好的冷却环境。试验采用热膜加热、热电偶测温和遥测仪采集数据的方法进行，上下游转盘同时加热。试验结果表明：随着无量纲质量流量、旋转雷诺数和浮升力的增大，努赛尔特数增大，换热效果增强。这为进一步的数值计算和优化提供了依据。     

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.      

涡轮叶片凹槽状叶顶非定常流动传热特性的数值研究

为了研究涡轮叶片凹槽状叶顶的非定常流动传热特性,以GE-E3第一级静叶和动叶为研究对象,采用ANSYS-CFX数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS)和标准k-ω紊流模型。数值预测的叶顶换热系数分布与实验数据吻合良好,从而验证了数值方法的可靠性。数值计算结果表明:静叶尾迹对动叶顶部的流动和换热特性影响显著。压力面侧前缘区域和吸力面中间位置的流场受动静干涉影响显著。叶顶表面的换热系数脉动主要出现在靠近前缘的凹槽底部表面和再附着线附近及吸力面侧肩壁。靠近动叶尾缘区域的换热系数脉动同时受动静干涉作用和下游流场的影响。定常计算得到的换热系数在前缘冲击区和分离线附近高于非定常时均值,在压力面侧肩壁附近小于非定常时均值。定常计算得到的平均换热系数要高出非定常计算结果3.5%。