层板结构冷却有效性的研究

基于一维多孔材料内传热理论,建立层板冷却的理论模型,应用由实验获得的各种层板结构的流阻和换热特性,由层板两侧的压差估算通过层板的冷气流量和层板结构的冷却有效性。对影响层板冷却有效性的因素进行分析,为层板的设计起到指导作用。在相同吹风比下,双层层板要比单层层板冷却有效性高,而三层层板与双层层板之间的差别不大。通过与传统气膜冷却方式的比较,可以发现,层板冷却具有以较少的空气达到较高的冷却效果的巨大潜力。      

发散冷却与冲击/发散冷却的冷却效率对比

为了得到最佳的冷却结构,在相同冷却气量下对发散孔单层壁与冲击/发散孔双层壁冷却结构的冷却效率进行了试验研究.试验保证相同的发散孔排布规律、热侧与冷侧进气温度、冷却气量、热气量以及热冷侧之间的空气压降,使用红外热像仪对发散孔壁的热侧壁面温度进行测量以得到冷却效率,并对两种结构的冷却效率进行对比分析.试验结果表明:在相同冷却开孔面积、相同冷热气条件下,冲击/发散孔双层壁的冷却效率要比发散孔单层壁大约高30%,这归因于冲击/发散冷却方式存在更高的换热强化能力.      

冲击/发散冷却层板隔热屏冷却性能及对比

为了分析对比新型冲击/发散冷却层板隔热屏冷却性能,论证其应用于加力燃烧室的可行性,在3种不同主次流总压比条件下对其进行了三维流固耦合传热数值模拟研究,并与某型波纹板隔热屏和单层平板隔热屏进行了相同工况的对比分析,得到了冷却效果、冷气用量、冷气热负荷和次流总压损失系数等的对比结果和变化规律.结果表明:冲击/发散冷却层板隔热屏具有较好的冷却效果,但其受主次流总压比变化的影响较大.相比某型波纹板,冲击/发散冷却层板隔热屏的冷气消耗量平均减少41.6%,单位面积冷气热负荷平均降低65.9%.     

填充比对层板结构换热特性影响规律研究

针对3种层板冷却结构,通过改变填充比得到了其冷却效率。数值模拟和计算分析发现,随着填充比的增大,绕流柱面及靶面的对流换热能力变化很大,进气板面及进出气孔壁的对流换热能力变化较小,层板结构的冷却效率单调增大。试验结果表明:在层板设计中,应适当增大填充比来获得较优的换热特性。     

扰流柱对层板冷却叶片前缘传热

根据涡轮导向叶片进、出口条件,运用RNG k-ε湍流模型对简化的层板冷却叶片前缘部分进行数值模拟计算,比较了冲击双层壁和带有圆形、方形、菱形扰流柱的4种层板冷却叶片前缘的流动与传热情况。结果表明:冲击双层壁的总压损失与带扰流柱的层板冷却叶片前缘的相差不大;方形、菱形与圆形扰流柱的靶面换热系数分布相近,差别很小;带扰流柱的层板结构叶片前缘的冷却效率比冲击双层壁的前缘的高,其中方形扰流柱的前缘表面的冷却效率最高,菱形、圆形的次之。     

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。     

冲击/发散复合冷却方式发散壁换热系数研究

对航空发动机的一种先进冷却方式,冲击/发散复合冷却方式的发散壁燃气侧换热系数进行了试验研究。考虑了影响燃气侧换热系数的流动和几何参数,它们是主流雷诺数、吹风比以及几何结构。采用比较法研究燃气侧换热系数,基准换热系数与经典传热准则计算值相比,精度在±7%以内。研究发现主流是充分发展湍流时,主流雷诺数对发散壁燃气侧换热系数基本无影响,而吹风比和几何结构是主要的影响因素。多排气膜叠加,也使得换热增强系数沿流向增加。对实验结果总结了经验关系式,可以用于该种冷却结构的传热设计和校验。      

涡轮叶栅前缘上游端壁气膜冷却的传热实验研究

对前缘上游有单排和双排孔冷却的涡轮导向叶栅端壁进行了详细的传热实验,在吹风比1,2,3下获得了当地气膜冷却效率和换热系数,结合流场测量结果分析了端壁冷却和换热规律。结果表明端壁气膜冷却在很大程度上受二次流的影响,冷却效果主要由吹风比决定,低吹风比喷射时,压力面附近的一个三角形区域没有冷气的覆盖,中、高吹风比喷射可以大幅度提高平均冷却效率并使冷气很均匀的覆盖在端壁上,双排孔喷射比单排孔喷射平均效率提高1倍左右。结果还表明尽管冷气喷射使端壁换热系数随吹风比的增大而显著增大,气膜冷却还是能有效的降低端壁的热负荷,其中以中吹风比双排孔喷射的效果最为显著。      

多孔多层板发散冷却特性（二）横流作用

针对Lamilloy类型的3层多孔层板结构,对有横流存在的多孔多层板的流动换热特性进行了数值模拟,考察了层板结构内的流动和壁面换热特性及层板热侧横流中的复杂流动换热现象,分析了多孔多层板发散冷却特性和流动换热机理.结果表明,多孔多层板发散冷却高效且均匀,层板结构内部的流动换热特性受横流影响很小,层板内强烈的冲击和对流换热是层板高效冷却的关键因素,如增大层板热侧开孔孔径或采用斜孔,可以进一步改善发散冷却效果.     

U型管式回热器设计与流动换热性能试验研究

在参考国内外文献资料基础上,利用FORTRAN语言编写回热器流动换热计算程序,完成回热器流阻和换热特性计算。根据计算结果,设计、加工了U型管式回热器试验件。试验研究了燃气冷气流量比、温比、回热器与燃气流向夹角以及回热器套管等参数对回热器流阻换热特性的影响,并将试验结果与计算结果进行对比分析,验证校核了回热器数值计算方法的有效性。研究表明,温比对回热器的换热效率影响较小,流量比和回热器与燃气流向夹角对流阻和换热效率影响很大。     

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%.      

带扰流柱内冷通道对表面气膜冷却特性的影响

为了讨论内冷通道结构对表面气膜冷却特性的影响,通过数值模拟的方法,计算研究不同结构下,冷气流过带有扰流柱内冷通道对表面气膜冷却特性的影响,并研究冷气通道与燃气掺混后的冷却效果;采用六种不同结构的扰流柱与气膜孔排列方式,计算中吹风比的范围为0．1〈M〈2．0。结果表明：冷气通道内的扰流柱对进入气膜孔的冷气起到稳定作用,比冷气通道内不加扰流柱的气膜冷却效果好,而且扰流柱与气膜孔不同的排列方式对气膜冷却效果有显著影响,因此选择合适的排列方式有利于气膜冷却。     

具有气膜出流孔和针肋的双层壁冷却结构内的冲击传热性能

针对具有气膜出流孔和针肋的双层壁冷却结构内冲击传热性能进行了试验和数值计算研究。试验采用瞬态液晶（TLC）热像技术,研究的靶板包括光滑靶板、针肋靶板以及带气膜出流孔的针肋靶板。冲击间距比为1.5,射流雷诺数范围为15 000~30 000。结果表明,针肋+气膜出流孔结构明显改善了下游区域横流的影响,明显提高了传热性能,靶板表面传热分布也更加均匀。相比于平板,当射流雷诺数为15 000时,针肋靶板和带气膜出流孔的针肋靶板端壁表面平均Nusselt数提升幅度最大,分别为6.3%和25.3%。针对双层壁冷却结构内射流冲击传热还开展了数值计算,通过采用SST （Shear Stress Transport）k-ω湍流模型计算分析获得了该双层壁冷却结构内的流动和传热特征。     

冲击加多斜孔双层壁对流与冲击换热优化研究

对冲击加多斜孔双层壁孔内对流和冲击换热这两部分冷却达到最大进行了优化.冲击加多斜孔双层壁结构中单位面积冲击孔数量和多斜孔数量比为1∶3, 多斜孔倾角为30°.本优化属于混合约束优化, 采用序列无约束极小化方法进行优化.通过计算分析, 得出了在冲击加多斜孔双层壁在压力降和单位面积冷却气量一定条件下的优化结果, 存在冲击换热和多斜孔内换热的最佳分配, 该结果对指导冲击加多斜孔双层壁设计有指导意义.      

楔形肋片内冷通道传热与流动阻力特性

利用实验和数值模拟方法,分析了楔形肋片几何结构对仿螺旋肋片内冷通道强化传热与流动阻力特性的影响,并将模拟结果与实验数据进行了对比,两者结果吻合良好.研究结果表明,随着楔形肋片导流角的增大,通道的强化传热显著增强,但其流动阻力也明显增大;气流方向的不同对通道总体换热强度影响不是很大,但反吹时通道中的流动阻力却明显高于正吹;从内冷通道的综合换热效果来看,当楔形肋片导流角为7?且气流正吹时是最佳的肋片几何结构参数.      

缩扩孔对孔板气膜冷却效果的数值研究

从加强气膜孔内的换热量和孔板热侧的气膜覆盖两个角度来提高气膜孔壁的冷却效果,通过对气膜孔孔型的改进,提出了缩扩型气膜孔型结构,数值计算结果表明收缩进气可以强化孔内的对流换热;而扩张出气则可以使冷气出口的速度降低,气膜覆盖面更广,提高气膜的覆盖效果.与扩张孔相比,所提出的缩扩型孔在较低的吹风比下有利于改善冷却效果,而在大吹风比下则对冷却不利;然而与普通圆柱型孔相比,缩扩型孔在任何吹风比下均能改善冷却效果.      

液体火箭发动机推力室复合冷却流动与传热研究

为了预测液体火箭发动机推力室的复合冷却性能,建立了推力室再生冷却通道和超临界氢的三维仿真模型以及推力室内燃气和超临界氢膜的轴对称二维仿真模型。通过边界耦合发展了液体火箭发动机推力室复合冷却流动与传热的数值仿真方法。对航天飞机主发动机推力室内部燃气、超临界冷却膜、室壁和再生冷却剂进行了流动与传热耦合计算仿真研究。研究表明,仿真方法可较好地预测推力室燃气及再生冷却剂的流动和传热,计算得到航天飞机主发动机的燃气侧壁面最高热流密度为129MW/m2,最高壁温为885K,冷却剂温升为192K,压降为8.8MPa,结果与已有数据吻合较好。模型和仿真方法可用于液体火箭发动机推力室冷却系统传热计算和冷却结构的优化设计。     

带起始气膜的大弯管发散冷却特性的数值研究

针对带起始气膜的大弯管发散冷却特性开展了三维数值模拟,对有无起始气膜的大弯管发散冷却结构进行了对比分析,并开展了主流速度、开孔率等参数对带起始气膜的大弯管发散冷却特性的影响研究。结果表明：带起始气膜的大弯管发散冷却结构能有效地改善无起始气膜的大弯管发散冷却结构前端冷效低的缺点,显著提高了大弯管整体的温度分布均匀性,平均综合冷却效率可提升10.8%-15.4%;主流速度的增大会增强主流与大弯管壁面的对流换热,引起壁面温度升高;开孔率的增加使得大弯管整体的冷却效率呈上升趋势,单位面积冷气流量的增加减小了开孔率带来的差异。     

扰流柱对叶片尾缘对流换热特性的影响

为了研究扰流柱对涡轮叶片尾缘对流换热特性的影响规律,设计了4种不同结构的扰流柱,采用红外热像仪分别对不同形状和排列方式的扰流柱对叶片尾缘气膜冷却特性的影响规律进行了实验研究.研究结果表明,在吹风比较低时,水滴I型扰流柱叶片尾缘的对流换热特性较好;吹风比较大时,圆柱型扰流柱叶片尾缘的对流换热特性较好,水滴Ⅱ型扰流柱叶片尾缘的对流换热系数最小.