“仿生学”沟槽减阻仿真分析及机理研究

"仿生学"沟槽结构在航空发动机叶片减阻和燃滑油系统减阻等领域有潜在的应用前景。为获得该结构构型参数和雷诺数对减阻效果的影响规律,通过对鲨鱼及海豚表皮特征进行仿生设计了横向和纵向沟槽,利用数值模拟方法对不同沟槽构型在不同雷诺数下的减阻效果开展了对比研究和机理分析。结果表明:横向和纵向沟槽构型减阻率均随雷诺数增大而减小,并且雷诺数影响占主导地位。对于横向沟槽构型,沟槽间距较大的构型沿程阻力占主导,在相对高雷诺数下减阻效果较好;沟槽数量较多的构型局部阻力占主导,在相对低雷诺数下减阻效果较好;无间距构型在相对低雷诺数下减阻效果最好,减阻率约为4.14%。对于纵向沟槽构型,减阻率比横向沟槽的高约1个百分点,雷诺数对减阻效果影响不大。     

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。     

楔形扰流柱通道流动与传热特性

针对处在高速旋转(哥氏力、离心力以及诱导产生的浮升力)状态下的涡轮转子叶片尾缘独特的几何结构(带扰流柱的楔形通道)和特殊的流动方式(径向进气侧向出流),采用实验的方法在实际工况参数范围内对其传热和流阻特性进行了详细研究:雷诺数和旋转数的变化范围为20 000~45 000、0~0155。实验结果表明:扰流柱的存在使得径向区域底部的滞止区域变大,但这也让中部传热有明显的提升;流阻和综合传热系数的比光滑参数随着雷诺数的增加而下降;旋转对顶部传热有增强作用,底部传热减弱;总地来说旋转使得通道的平均传热减弱,流阻增加,综合传热系数下降。      

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%.      

涡轮叶片内部冷却通道传热和压力 分布特性的实验

针对带45°肋片圆形弯头U型通道进行了传热和压力分布特性的实验研究.实验中进口雷诺数变化范围在30000~55000之间.研究表明,肋片引起的横向二次流在弯头前区域是强化传热的主要因素.不同雷诺数下传热分布和压力分布的趋势完全一致,但弯头区后半段上传热分布有所差异.通道中的最大压降出现在弯头区,进口雷诺数越大,弯头损失系数和总损失系数都有所减小.流体在圆形弯头中,加速效果没有矩形弯头强烈,弯头区和弯头后的传热较矩形弯头都有较大幅度地减小.      

半封闭肋化通道射流冲击的实验

运用红外热像测试技术对半封闭肋化通道单排孔射流冲击进行了热像显示实验,揭示出射流雷诺数、冲击间距、肋型排布方式对传热特性的影响规律,并开展了冲击孔流量系数的研究.结果表明:在本文研究范围内,冲击间距与孔径比Zn/d=1时壁面射流区换热效果最好;V型肋化通道在壁面射流区获得了最佳换热效果;冲击孔流量系数随雷诺数增加而变大;在其它工况相同的情况下,V型顺流肋化通道内冲击孔流量系数最大.      

矩形与收敛通道内高实度扰流柱换热特性研究

采用SST k-ω湍流模型,对矩形与收敛两种通道内高实度(45%)圆形扰流柱的传热与流动特性进行数值模拟。通过比较两种通道内的流场结构,分析其内部冷却气体的流动机理,进而探求扰流柱阵列的传热性能与压降变化。结果表明:通道类型对内部流场结构有很大影响。收敛通道内流体的速度相比矩形通道的呈现沿程增加的趋势,其对自身的流动损失及换热效果影响加大;两种通道内扰流柱的平均换热水平随进口雷诺数的增大均呈指数上升趋势,相比较收敛通道的更高,但差距逐渐缩小;两种通道的整体压力损失系数均呈指数下降趋势。同一进口雷诺数下,矩形通道在中游出现换热峰值,收敛通道的换热效果沿流向持续提升,两者虽在相同排列产生换热波动点,但单排换热差距逐渐增大。矩形通道内单排扰流柱压力损失系数沿流向先降低后升高,收敛通道内则持续上升。     

不同肋间距变截面回转通道内的流阻和换热特性

实验选取航空发动机涡轮叶片中段内部冷却通道为研究对象,对横肋变截面回转通道内不同肋间距的气流流动阻力和换热特性进行了实验研究。通道进口雷诺数在7000到60000范围内。实验结果表明,随着雷诺数的增加,不同节距比通道阻力系数降低;不同节距比对通道阻力系数和通道平均努塞数的影响呈多峰分布。      

锯齿形硅基微通道内流动与换热特性实验

采用微机电系统(MEMS)工艺在硅片上制作锯齿形微通道,并对其内部流动和换热特性进行了实验研究,同时与相同高宽比和当量直径的平直微通道进行了对比,讨论了锯齿形硅微通道强化换热的机理.研究表明:锯齿形微通道内流动摩擦常数fRe和换热努塞尔数Nu较平直微通道均有明显提高,且提高幅度随雷诺数Re增加而增加;相同泵功条件下锯齿形微通道换热热阻显著下降.      

小高径比扰流柱冷却通道的换热和流动特性

采用数值模拟的方法,对涡轮叶片尾缘处圆形小高径比扰流柱冷却通道的换热和流动特性进行了研究,分析进口雷诺数和扰流柱间距对冷却通道换热和流动特性的作用过程.结果表明:进口雷诺数的提高能够有效改善冷却通道端壁的换热性能,但这种改善能力随着进口雷诺数的提高而逐渐减弱,同时降低冷却通道的压力损失系数.在两种扰流柱间距中,流向间距是影响端壁换热性能的主要因素,随着流向间距的减小,冷却通道换热性能逐渐变好,压力损失系数降低;横向间距是影响冷却通道流动损失的主要因素,两者大小成反比关系.在通道计算中,扰流柱平均换热性能约是端壁平均换热性能的1.8倍,端壁换热权重约是换热面积比0.824倍,同时该权重几乎不受进口雷诺数的影响.      

旋转光滑及带肋U形通道的局部换热特性

用实验方法研究了旋转状态下光滑及带肋U形方截面通道的换热特性。带肋通道中,90°直肋对称布置在前后缘,肋片高径比为0.143,节距比为7。在实验雷诺数及旋转数范围分别为6100~25100和0~0.26下,对比分析了光滑及带肋通道的旋转换热特性。结果表明,带肋通道的换热明显好于光滑通道;旋转强化了第1通道后缘及第2通道前缘的换热,但削弱了第1通道前缘及第2通道后缘的换热;旋转效应对带肋结构的第1通道前后缘换热的影响最为明显;光滑通道中,弯道效应对其下游换热的影响较为显著。     

Heat transfer characteristics in a narrow confined channel with discrete impingement cooling

Heat transfer characteristics in a narrow confined channel with discrete impingement cooling were investigated using thermal infrared camera. Detailed heat transfer distributions and comparisons on three surfaces with three impact diameters were experimentally studied in the range of Reynolds number of 3000 to 30000. The experimental results indicated that the strong impingement jet leaded to a high strength heat transfer zone in the ΔX=±2.5D_j range of the impact center,which was 1.3–...     

变截面U形通道内肋高对换热特性影响的实验

采用实验方法研究了在定常状态下, 肋的高度对横肋变截面U形通道内的换热特性的影响。通道内肋间距为15 mm, 肋的宽度均为2 mm, 肋的高度分别为1, 1.5, 2 mm和2.5 mm。雷诺数在12 000到56 000之间变化, 采用单元分析法, 以相同形状的无肋通道作为基准, 研究了肋的高度对肋间距为15 mm通道的换热效果及阻力影响, 得到了包括几何参数在内的经验关联式。结果表明, 有肋的通道换热都得到了增强;肋高度的变化对变截面蛇形通道换热的影响不是单调的, 而是呈多峰分布;肋的高度对阻力系数的影响却是随着肋高的增大而增大的。      

凹槽对涡轮叶片前缘换热特性影响的实验研究

为了探究带有凹槽造型的涡轮叶片前缘结构的换热特性,采用瞬态热色液晶技术研究了凹槽对涡轮叶片前缘外表面换热系数的影响,获得了不同主流雷诺数以及湍流度下涡轮叶片原始前缘结构及带两种不同深度凹槽的前缘结构外表面的换热系数分布数据,并采用努塞尔数评估对比了三种结构下的换热特性。实验结果表明：原始前缘结构存在高换热系数区,随着湍流度的增大,高换热核心区显著增大；由于凹槽对滞止区域的流动产生了影响,带凹槽的前缘结构在不同工况下均表现出将原始结构高换热核心区分割为凹槽两侧突出边缘的高换热区和槽内低换热区的分布特征；凹槽可以显著降低前缘表面的换热强度,带浅凹槽的前缘结构在前缘表面的面平均努塞尔数相比原始前缘结构降低约7.9%~14.5%,带深凹槽的前缘结构相比原始前缘结构降低约9.1%~20.9%；与Reg=200,000相比,当Reg=150,000时,带凹槽的前缘结构相比原始结构的低换热优势更强。     

带肋变截面回转通道内换热特性的实验研究

与等截面回转通道相比较,变截面通道更接近叶片内冷通道原型。本文采用实验的方法研究带90°直肋的变截面180°回转通道壁面的换热特性,以单个直肋为基本特征将通道分成若干单元,在满足通道面积连续的条件下,考察了各特征无因次几何参数和气流雷诺数对带肋面换热的影响。在实验验证的进口雷诺数的范围内,与Dittus-Boelter公式比较,实验模型带肋面的平均努赛尔特数Nu_av提高了74%～128%不等,并且在较小的Re_in时,Nu_av提高的幅度更大。      

汽雾两相流强化冷却燃气轮机叶片内冷通道

实验研究了方形通道这一重型燃气轮机中常用叶片强制对流冷却通道结构.分析了雷诺数、壁面热流密度以及水雾质量流量比等关键参数对汽雾冷却通道的传热特性的影响,并建立了考虑离散相水雾的流动工况和通道壁面加热条件的实验关联式.结果表明:相对于纯蒸汽,汽雾两相流的传热系数显著提高,且传热性能提高的幅度随热流密度的增大而减小,随雷诺数和水雾质量流量比的增大而增大;通道上壁面平均传热系数低于下壁面,在高热流密度和低水雾质量流量比下,两者相差约13%,而在低热流密度与高水雾质量流量比的情况下,该比值增加到约25%.      

小空间内冲击/气膜复合冷却换热特性试验

利用相似理论的原理, 试验研究了封闭小空间内冲击/气膜复合冷却内表面的换热特性.研究中通过改变冲击Re数（1000040000）、冲击距离H和冲击孔直径D之比H/D（0.172.0）, 在2种冲击孔和气膜孔间距P和冲击孔直径D之比P/D（0, 1）条件下, 细致分析冲击Re数、H/D对复合冷却内表面局部换热特性的影响.结果表明, 在本文的试验工况中, 冲击靶板上的局部Nu数随着冲击Re的增加而不断变大, 而Nu数随着H/D的变化规律并非单调.当P/D=0, H/D=2时换热效果达到最佳;P/D=1时, 在X/D=±3范围内, 小冲击Re数条件下H/D=0.17和H/D=2的换热效果比较接近, 大冲击Re数条件下H/D=1和H/D=2的换热效果比较接近.      

涡轮叶片内部回转通道的换热实验

用实验的方法研究了发动机涡轮叶片内部带肋回转通道壁面的换热特性.用瞬态液晶测量方法测量了整个叶片内部三个通道的全表面换热分布.研究了不同的气流雷诺数情况下和三个出口不同的出流比情况下对换热的影响.结果表明:在相同的出流比情况下,通道的平均努塞尔数随着入口雷诺数的增加而增大;在实验范围内,当进口雷诺数一定的情况下,三个出口出流比例为0%, 75%和 25%时整个通道的平均换热最强;在弯道处布置放射状的肋片,能够非常好地增强换热.      

小间距冲击凹柱面靶板换热特性实验

利用热膜法,实验研究了小间距下单孔冲击受限凹面靶板的局部换热特性。通过改变冲击Re数(20 000~30 000),冲击间距和冲击孔直径之比H/D(0.2~1.0)等参数,重点分析冲击靶面周向和轴向的局部换热系数及其分布规律。结果表明:小冲击间距工况下,由于滞止区内高压区作用,气流被加速,靶面轴向上出现除滞止点以外的第二个强化换热峰值,并且随着冲击间距的减小,该效应越加明显;当H/D较小时,由于冲击导管端壁表面的限制,冲击射流在凹面靶板的周向形成冲击射流,显著提升了周向的局部换热效果,周向上也出现了二次强化换热峰值。随着H/D的增加,周向二次强化峰值迅速消失。实验中当H/D=0.2时,凹面靶板的换热效果达到最佳。