层板结构内部流场数值模拟研究

 在已经研究的层板换热特性的基础上,通过对层板结构内部流场的数值模拟研究,有助于理解层板内部复杂流动的情况,从而揭示层板内部换热强弱的机理。根据B、C两种类型结构的层板研究表明:在扰流柱柱面附近区域速度最大,这有利于热交换;扰流柱柱高的改变对流场影响较大,而且对换热也带来明显的影响。将数值模拟结果与实验进行对比发现,数值模拟换热系数的分布规律基本与实验相一致,误差也在可接受的范围内。     

盐指型双扩散湍流二维直接数值模拟研究

针对海洋相关盐指型双扩散湍流开展了二维直接数值模拟研究，特别关注了四种不同物性参数组合情况下，传输特性和流动结构随瑞利数和密度比的变化趋势。结果表明：温度努塞尔特数、盐度努塞尔特数和流动雷诺数随瑞利数的整体变化规律受密度比的影响较小，但其具体数值随密度比的增加而减小；密度比的影响幅度随着组分扩散率比值，即刘易斯数的增大而减小；相关变化规律可由幂律模型描述，且基于数值模拟结果本文确定了四种物性参数组合所对应的幂律指数。对于大多数算例，流动主导结构为盐指。对具有小刘易斯数和大瑞利数的数个算例，主导结构变为类对流涡结构。对所有物性参数组合，盐指水平宽度随瑞利数变化趋势与线性稳定性分析给出的结果类似。这些结果对理解海洋盐指双扩散湍流、以及实验和模拟结果应用于真实海洋流动等方面有重要的意义。     

绕任意轴旋转的管道流动和换热特性研究

当管道绕任意轴旋转时，管道内的轴向速度分布发生改变，截面上产生二次流动，管道的对流换热特性将引起变化。本文对绕任意轴旋转的管道流动与换热进行了数值模拟，研究结果表明：绕任意轴旋转管道内的对流换热特性主要由Re（雷诺数），Ro(Rossby数），Pr（普朗特数）数，和α（旋转轴与管道轴线的夹角）四个参数决定。文中分析了在不同情况下流场结构与摩擦系数比以及温度场与管道Nu数比率随Re数和Ro数的变化规律，为工程实际应用提供了理论依据。     

梯形空腔热环境数值研究

对梯形空腔内的层流自然对流换热进行了数值模拟，用SIMPLE算法和中心差分格式、二阶迎风格式对该问题（Ra=1×10^3～1×10^7）进行了详细的数值计算，最终得出了梯形空腔在不同Ra数下的等温线与流线，总结分析了其内部换热规律，认为Ra≤1×10^4时空腔内部换热方式以导热为主，Ra〉1×10^4时空腔内部换热方式以对流换热为主，Rn〉1×10^7时空腔内部为湍流，应该用湍流模型进行数值计算研究。     

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.     

管内高温介质流动入口段的辐射与对流耦合换热数值模拟

将求解辐射传递方程的离散坐标法与求解对流换热的控制容积法相结合 ,数值模拟了高温下圆管流动入口段参与性介质的辐射与对流耦合换热。考察了介质光学厚度及管壁温度对温度分布、壁面热流密度及局部努谢尔数分布的影响。结果表明 ,高温下介质辐射使介质的温度分布和对流换热状况发生较大改变 ,对管内流动入口段的换热起着重要作用     

单个压电风扇传热特性

基于压电风扇运动规律的激光多普勒测振仪测试结果,利用动网格技术对单个垂直壁面压电风扇的三维非定常流动和传热特性进行了数值模拟,同时应用红外热像仪对表面局部对流换热系数分布进行了测量。研究结果表明:时均对流换热系数的数值模拟与实验结果具有良好的一致性;加热表面的存在,导致压电风扇激励的涡系结构与其在自由空间振动时诱导的流场存在一定的差异,脱落涡相比于自由空间时更易于破碎;压电风扇振动诱导的涡冲击加热表面所形成的近壁流动呈现出明显的平行于风扇的侧向流动,而在压电风扇两侧边则出现卷吸的特点,叶尖包络区对应的壁面局部对流换热有显著的强化作用,表面对流换热系数分布在包络区外围呈现出明显的哑铃状特征。     

旋转弯管内耦合对流换热特性研究

由于离心力，科氏力，和离心型浮力（Centrifugal-type Buoyancy force）同时出现，使得旋转弯管内的流动和换热特性更为复杂。本文考虑了温度与密度的耦合关系，对旋转弯管的对流换热问题进行了数值研究。分析了不同F数（科氏力和离心力之比），Ran数（旋转Rayleigh数）,以及Ro数（Rossby数）下的二次流动、轴向主流、温度场、摩擦系数比、努塞特数比变化规律。为工程上解决旋转弯管道内耦合对流换热问题提供了可靠的理论依据。     

航空发动机旋转帽罩结冰表面换热系数研究

旋转帽罩表面的对流换热系数是结冰、防冰研究的重要参数,旋转帽罩结冰模拟中对流换热量和蒸发量都需要已知对流换热系数。为了获取旋转帽罩表面的对流换热系数,采用数值模拟对旋转帽罩结冰表面的对流换热系数进行了研究。首先验证了网格与计算方法的合理性和可靠性,在此基础上,对影响表面换热的因素进行了分析,计算了不同转速、来流速度、来流温度对锥角40°,锥高176mm的旋转帽罩表面换热系数的影响。结果表明:锥尖区域,来流速度的影响与转速影响相比占主导;除锥尖外的其他区域,转速对换热系数的影响占据了主导地位;来流温度对整个表面的换热系数均有影响。采用不同工况下的数值模拟结果,在锥尖区域建立了来流雷诺数与努赛尔数之间的关联式;在除锥尖外的其他区域建立了旋转雷诺数与努赛尔数之间的关联式。     

有无内部对流换热对导叶冷却效果影响的数值研究

根据导向叶片的曲面结构,运用剪应力输运方程(SST)湍流模型,在不同冷气入口压力条件下,对涡轮叶栅通道内部的三维流场和圆形气膜孔叶片型面的冷却效果进行了数值模拟.计算针对两种情形,即叶片内部有对流换热的情形和无对流换热的情形,结果表明随着冷气入口压力的增加,叶片有无内部对流换热的冷却效果也在增加;有内部对流换热的冷却效果较纯气膜冷却的高,尤其是在叶片前缘.      

涡轮叶片全表面换热特性试验研究

气冷叶片表面对流换热系数对气冷叶片设计至关重要。为了研究气冷叶片表面对流换热特性,设计了典型气膜冷却叶片,采用试验与数值计算相结合的方法对气冷涡轮叶片表面流动换热特性进行了对比研究,获得了叶片表面温度场及叶栅通道内部流场分布特征。结果表明:叶片表面的换热受叶栅流道结构的影响较大。在叶片前缘滞止点以及主流加速剧烈的位置换热较强,加入气膜孔可以局部增强叶片表面的对流换热,但却没有改变叶片全表面换热的变化趋势。     

燃气热力参数计算方法及在涡轮叶栅对流换热中的应用

为了研究燃气热力参数对对流换热的影响,发展了一种计算航空发动机碳氢燃料与空气燃烧的燃气热力参数计算方法。应用该方法给出的一部分燃气热力参数作为输入条件,对不同入口温度下的平板和涡轮平面叶栅的对流换热进行了数值模拟,并与空气作为工质的对流换热数值模拟结果进行了对比。结果表明:在其他定解条件相同时,对平板和涡轮平面叶栅的对流换热,工质为多组分燃气时的壁面当地努塞尔数均大于入口工质为空气的努塞尔数,且随着入口温度的升高,空气与燃气的当地努塞尔数的差别变大;在给定的入口温度范围内,与工质为空气相比,工质为燃气的平板当地努塞尔数从28%增大到30%,涡轮叶栅则从725%增大到969%。     

二维RayleighBénard对流系统非线性特征的DSMC研究

应用发端于微观分子动力学的蒙特卡罗直接模拟(DSMC)方法实现了RB(RayleighBénard)对流的数值模拟,并在此基础上得到了与线性稳定性理论分析结果相一致的RB系统第一次分叉的临界瑞利数;通过对大瑞利数下RB系统中心点处温度信号进行功率谱分析,得到RB系统通向混沌的倍周期分叉路径,同时应用现代混沌分析方法研究了RB对流系统的关联维、最大Lyapunov指数等非线性特征。     

流量分配对尾缘通道流动换热特性的影响

采用数值模拟方法,研究了不同进气比条件下双向进气叶片尾缘通道的流动与换热特性。结果表明,整个尾缘通道的全局平均换热强度随着进气比的增加而增大。小进气比情况下,尾缝出口流量沿径向分布较均匀,整个通道的对流换热都较弱,其中中间隔板附近对流换热最弱。大进气比情况下,尾缝出口流量分布沿径向变化较大,在通道顶部区域分布较多,通道顶部区域对流换热最强,中间隔板附近对流换热有所改善。     

浮升力对双旋转轴间流动换热影响的数值模拟

利用Boussinesq假设，采用混合长度模型，对具有轴向通流的双旋转轴间的流动换热进行了数值研究，得到了轴间气体充分发展段的速度分布、温度分布和加热边的对流换热系数，其结果在实验模型参数范围内与PfitzerH的实验研究符合较好。在此基础上，进一步数值模拟研究了同向等速旋转双轴间不可压流的离心浮升力对流动换热的影响，结果表明：离心浮升力对流动换热的影响取决于浮升力与惯性力之比GrB/Rex^2。当GrB/Rex^2≥24时，浮升力的影响十分显著，不可忽略。     

旋转轴角度对受限层板换热能力的影响

应用数值模拟的方法对旋转状态下受限层板在不同旋转角度下换热能力进行数值仿真研究。通过改变旋转轴和层板之间的角度,得出了旋转轴角度对层板换热能力的影响规律。研究结果表明:旋转轴与层板所成角度不同时,对流换热系数呈现一定的相似性;旋转轴与层板所成角为90°和270°时对流换热系数最高,浮升力最小,旋转轴与层板所成角度为0°和180°时,对流换热系数最低,浮升力最大;最高对流换热系数和最低对流换热系数相差55%左右;平行于层板的哥氏力比垂直于层板的哥氏力对流体的影响强烈。     

旋转条件下超临界压力正癸烷径向入流时的对流换热

针对超临界压力流体在发动机涡轮叶片再生冷却技术中的应用,对超临界压力正癸烷在旋转状态下的径向入流管内对流换热和流动进行了研究,分析了哥氏力、浮升力与流动加速对换热的影响规律,提出了适用于旋转条件下超临界压力流体对流换热的同时考虑重力浮升力与旋转浮升力的浮升力无量纲准则数。研究表明:高转速条件下(500r/min以上),浮升力主要由离心力产生且处于强化区,增强对流换热;流动加速主要由压降产生,削弱对流换热;浮升力、流动加速、哥氏力均随转速增大而增大,共同作用下对流换热也随转速增大而增大。1500r/min下平均Nu数约是500r/min的1.5倍,约为静止的2～4倍。     

旋转条件下超临界压力正癸烷径向入流时的对流换热

针对超临界压力流体在发动机涡轮叶片再生冷却技术中的应用，对超临界压力正癸烷在旋转状态下的径向入流管内对流换热和流动进行了研究，分析了哥氏力、浮升力与流动加速对换热的影响规律，提出了适用于旋转条件下超临界压力流体对流换热的同时考虑重力浮升力与旋转浮升力的浮升力无量纲准则数。研究表明：高转速条件下（500r/min以上），浮升力主要由离心力产生且处于强化区，增强对流换热；流动加速主要由压降产生，削弱对流换热；浮升力、流动加速、哥氏力均随转速增大而增大，共同作用下对流换热也随转速增大而增大。1500r/min下平均Nu数约是500r/min的1.5倍，约为静止的2～4倍。     

航空发动机1 次表面换热器流动换热性能分析

为了研究航空发动机1次表面换热器流动换热性能,基于传热单元数法并结合其结构特性,建立了换热器热力学设计方法并对经典热力学公式进行了对比分析。同时针对适用于航空发动机的4种不同结构形式1次表面换热器(直通道逆流型和1 5°,30°及45°叉流型),在真实工况下的流动换热特性开展了数值模拟研究。通过对比不同结构换热器在不同工况下的流动换热特点,可以为一次表面换热器芯体核心部件的优化设计提供设计依据和方法。基于数值计算结果,对比分析了不同交错角度θ对换热器的换热性能与流动特性的影响。结果表明:对于直通道逆流换热器,整个换热器内部温度有规律均匀分布;对于叉流换热器,由于波纹板片呈一定角度交替放置,内部流动复杂,局部存在明显的涡流强化换热,气体流动通道内的速度、温度分布极不均匀。随着交错角度的不断增大,叉流换热器的换热性能不断增强,但其冷热两侧压降也大幅增大。     

高温下加热/冷却管内参与性介质的辐射与对流耦合换热研究

本文通过数值模拟方法研究了高温下加热/冷却管内层流充分发展流动的参与性介质热起始段的辐射与对流耦合换热。采用离散坐标法求解圆柱坐标系下的非线性积分微分辐射传递方程,采用有限差分法求解辐射与对流的耦合换热能量方程。通过计算,分析了不同壁温及入口温度下,介质导热系数、壁面发射率、介质散射反照率及散射相函数等因素对局部努谢尔数、壁面热流密度及有效加热/冷却长度的影响,并同时采用努谢尔数和壁面热流密度评价了耦合换热中辐射对对流换热的影响。