旋转状态下气膜冷却模型的数值模拟

通过对带有90°倾角圆柱形交错孔排的涡轮叶片模型进行数值模拟,得到了不同主流雷诺数、旋转数和吹风比情况下前缘面与后缘面侧的气膜冷却流动与换热特性及各气膜孔流量系数的分配规律.结果表明,冷气受到离心力与哥氏力的共同作用向高半径处发生偏转,导致壁面冷却效率降低;雷诺数的增大会削弱气膜冷却效果,高吹风比则不利于气膜孔下游区域的冷却.各气膜孔的流量系数随吹风比的增大而增大,随旋转数的提高而减小.在后缘面侧,相同工况下各气膜孔的流量系数明显高于前缘面侧对应气膜孔的值.      

旋转数对凸表面气膜冷却影响的实验分析

采用圆弧模型,测量了旋转状态下凸表面气膜冷却效率 η _ad和换热系数 h _f的分布规律,重点研究旋转数 Rt=ωD/u_∞ 对气膜冷却的影响.叶片表面温度采用先进的液晶测温技术进行测量.结果表明:①在旋转离心力和哥氏力的共同作用下,气膜轨迹向高半径方向发生了明显的偏移,并且转速越高偏移角度越大;②旋转使得气膜冷却效率降低,换热系数上升;③在旋转状态下,气膜发生了分离再附壁的现象.     

旋转光滑U形通道内流动和换热的数值模拟

数值模拟了旋转状态下涡轮叶片U形内冷通道湍流流场和温度场的分布,分析了流阻和换热的变化规律.结果表明,旋转状态下哥氏力、离心力和浮升力的共同作用使得流场发生了复杂的变化.旋转强化了换热,减小了流阻.但旋转使得换热在各个面换热能力分布不均,增加了温度梯度.      

旋转对气膜冷却覆盖区域的影响

气膜冷却是应用于航空发动机上的冷却技术,旋转是影响气膜与主流掺混区域的重要因素.在旋转气膜外换热实验台上进行的平板气膜冷却实验对此问题进行了研究.与静止叶片相比,气膜出流在旋转叶片表面会发生展向偏离.在压力面,转速增加,气膜出流先向低旋转半径方向偏转,后向高旋转半径方向偏转;在吸力面,气膜出流向高旋转半径方向偏转.动量流量比固定,当密度比增加时,压力面气膜出流轨迹向低旋转半径方向偏转加剧;吸力面气膜出流轨迹向高旋转半径方向的偏转也增大.      

曲率对旋转态气膜冷却效率影响的数值模拟

通过对旋转状态下曲率叶片模型上气膜冷却现象的流动和换热进行数值模拟,得到了不同主流雷诺数、吹风比和旋转数情况下吸力面和压力面上的冷却效率分布.计算选用κ-ω和SST(Shear-Stress Transport)湍流模型,主流雷诺数Re=3 198.4~6 716.6,吹风比M=0.2~1.2,旋转数Rt=0~0.015 9.结果表明:旋转数的增大导致气膜孔下游中心区域的冷却效率下降,但使压力面整场的冷却效果略有提高;吹风比的增大使得吸力面和压力面上的冷却效率逐渐降低,主流雷诺数的变化对壁面整体冷却效果则影响不大.此外,相同工况下吸力面上的冷却效率要高于压力面上的对应值.     

旋转附加力对方通道内流动与换热的影响机理

在雷诺数为25000,旋转数为0~0.24,温度比为0~0.22的范围内,数值模拟了旋转光滑径向出流通道的内流动与换热分布,分析了哥氏力与离心浮升力对旋转管流的耦合作用机理.计算结果表明,切向哥氏力推动了通道截面内的双涡二次流,径向哥氏力则使得近侧壁流体加速和中心流体减速.离心浮升力对流动与换热的作用效果与哥氏力场的分布密切相关.换热计算结果从定性趋势上吻合公开文献中的实验现象,反映了旋转附加力的基本影响规律.     

旋转状态下曲率对气膜与主流掺混区域的影响

气膜冷却是应用于航空燃气轮机上的冷却技术,旋转及表面曲率是影响气膜与 主流掺混区域的重要因素,通过数值计算方法对旋转状态下曲率对气膜与主流掺混区域的影 响进行了研究,湍流模型选取了k-ω模型.增加旋转速度,会引起吸力面气膜的分离; 固定转速,降低表面曲率半径,压力面气膜发生分离,吸力面气膜冷却效果得到改善.当动 量流量比在小于1的范围内变化时,旋转只改变压力面气膜与主流掺混区域的分布,而对吸 力面没有影响.      

3种转角下旋转U形方通道的局部换热

在旋转数为0~0.26内用实验方法研究了转角对旋转U形方截面通道换热特性的影响.3种通道转角分别为0°,22.5°,45°.通道转角的变化引起了通道内哥氏力二次流的变化,继而导致通道各表面换热的变化.结果表明:随通道转角的增大,前缘与后缘之间努塞尔数的差异减小,而内侧面与外侧面之间的努塞尔数差异增大;在低旋转数下,转角的变化对U形通道换热的影响较小,但高旋转数下,转角的变化对U形通道换热的影响变得明显.      

轴向通流旋转盘腔内流动不稳定性研究

为了研究旋转腔内流动不稳定性问题,采用旋转坐标系稳态方程,用数值模拟的方法分析了轴向通流旋转盘腔内的流动,得到了旋转系下哥氏力和离心浮升力分别对流动不稳定的作用,以及这两个力的非线性综合作用对流动不稳定的影响.结果表明:哥氏力是恢复力,不影响流动稳定性;离心浮升力是造成流动不稳定的主要因素,盘腔内的流动是离心力场下的Rayleigh-Benard对流和强迫对流的混合流,随着浮升力的增强流动由稳态发展为非稳态;哥氏力与离心浮升力的综合作用加剧了流动不稳定性,盘腔内r-θ面出现了明显的旋向相反的对涡.     

热气防冰系统内表面弦向传热性能衰减规律

利用反向热流法实验研究了弦向3排射流喷口,且中央喷口正对前缘驻点结构下射流冲击热气防冰系统前缘内表面的局部传热特性。重点研究了喷孔射流出口雷诺数Re_j、笛形管相对于前缘的距离与孔径比Z_n/d、射流冲击驻点区弦向弧长与孔径比r/d对冲击前缘靶面的局部传热性能分布的影响。实验中Re_j范围为2.5×104~1×105,Z_n/d范围为1.736~27.5,r/d范围为13.21~61.5。结果表明,局部传热性能分布曲线为从驻点开始向两侧衰减的钟形曲线,包括稳定段、下降段和结束段3部分,其中稳定段只受参数r/d的影响,而参数Re_j、Z_n/d和r/d均能够明显影响下降段的下降速率,参数r/d则几乎不会改变下降段的总下降幅度。总结了此类喷口结构下射流冲击前缘换热性能衰减分布曲线的通用实验关联式,以指导防冰系统的设计和热性能的评估。      

旋转状态下温度比对气膜与主流掺混区域的影响

为了研究在旋转状态下温度比对气膜与主流掺混区域的影响,采用了数值模拟的方法对此进行了分析.结果表明:与静止状态相比,气膜出流在旋转状态下会发生偏转.当温度比固定,随着转速的增加,吸力面上气膜覆盖区域向高旋转半径方向偏转;但在压力面上,覆盖区域向低旋转半径方向偏转.在旋转速度固定时,随着冷却气膜和燃气温度比的增加,气膜覆盖区域向高旋转半径方向偏转.旋转同时会降低气膜冷却效率,而温度比对此的影响却很小.      

旋转叶片尾缘通道的换热特性

用实验的方法研究了旋转和静止状态下带交错肋和柱肋的涡轮叶片尾缘通道的换热特性.通道截面为楔形,交错肋段上下表面肋错开布置,节距比约为7,柱肋段包含大小两排扰流柱.在实验雷诺数为6 100~33 000,旋转数0~0.6的工况下对比分析了尾缘通道交错肋段和柱肋段的旋转静止换热特性.研究结果表明:静态下,交错肋段前后缘面存在换热差异,且该差异沿程减小;在交错肋充分发展段,旋转增强了后缘面的换热,削弱了前缘面的换热;交错肋段前后缘面叶间处换热旋转下均得到增强;旋转下柱肋段的过渡段尺度减小,换热最强点向低半径处偏移.     

旋转状态下涡轮叶片前缘的流动与换热

用数值模拟的方法对旋转状态下涡轮叶片前缘冷却结构进行了数值研究,该结构由进气腔、叶片尾缘块和前缘块构成,对此结构不同的旋转速度情况进行了计算,根据计算结果分析了旋转对涡轮叶片前缘流动与换热的影响.计算结果表明,旋转状态下带气膜出流的冲击流动中,前尾缘冲击面的换热随着转速的增加而减小,且尾缘冲击面的换热比前缘冲击面的换热要好;同时前尾缘冲击面换热的差别随着转速的增加将越来越小.     

冲击与气膜的组合形式对冷却效果的影响

通过数值模拟,研究了涡轮叶片弦中区所采用的新型双层腔冷却结构的冷却特性,系统分析了冲击与气膜的组合冷却流动换热的机理,讨论了冲击孔与气膜孔的组合形式对组合冷却效果的影响.计算参数范围是:吹风比M=0.6~2.0,冷气进口雷诺数Re=2000~5000.计算结果表明:①气膜孔与冲击孔的位置及其排列方式对双层腔结构的冷却效果的影响是非常明显的,且存在一个最佳的组合冷却形式;②在狭小的封闭空间内,冲击靶面的努塞尔数分布呈明显的双峰结构,冲击滞止点处于两个峰值之间的峰谷.      

30°预旋进气旋转盘流动与换热特性的实验

用实验的方法对具有30°预旋进气的旋转盘附近冷气流动与换热特性进行了研究,得到了静 盘表面压力、转盘表面温度、局部努赛尔特数的分布及平均努赛尔特数的变化.结果显示静 止盘罩表面的压力随着半径的增加而增加,随转速的增加而增加.转盘表面的局部努赛尔特 数在r＜0.7R的区域基本不变, r＞0.7R的区域里, 局部努赛尔特数随r的增加而增大.该预旋 角情况下,进气雷诺数对盘面平均努赛尔特数的影响大于旋转雷诺数.     

带气膜出流叶片前腔内表面冲击换热数值模拟

采用数值模拟方法对不同雷诺数下静止状态涡轮叶片前腔带气膜孔出流的冲击流动与换热特性进行了研究.分析了叶片前缘冲击流动产生的不同涡团对其内表面换热的作用机理.计算结果表明:相同雷诺数下,叶片前缘内表面气膜孔附近的换热强化比高于通道的平均值.随着雷诺数增加,换热强化比有所提高.冲击流动与通道流动耦合而形成的波浪形涡区,极大地扩展了冲击强化换热区域.气膜孔出流的抽吸作用对冲击流产生影响,进一步扩大了冷却空气在前缘内表面的覆盖范围.气膜腔叶根处纵向截面的涡团阻碍了冷气向叶根方向扩展,降低了冷却效率;而横向截面的涡团则促进冷气与壁面热气的掺混,提升了换热效果.      

阵列射流冲击复合不同肋化表面的沸腾特性

阵列射流冲击冷却技术可以有效地解决高热流密度器件的散热问题,为了验证受冲击表面强化传热结构对优化两相射流冷却性能的有效性,结合高速显微摄像手段,研究了不同肋化表面结构形态对受限式阵列射流冷却的流动、传热特性的影响。设计了2种含不同肋化表面形态:光滑切割针肋（0.6 mm×0.6 mm×1.0 mm）、外覆多孔烧结层的粗糙针肋（粒径为73~53 μm）。实验使用无水乙醇为工质,以光滑表面的射流冷却热沉为对照组,入口温度均为20℃,在固定工质流量7.5 mL/s下,随着加热热流密度由5 W/cm2增加至100 W/cm2时,热沉的换热系数均持续上升但增幅逐渐减小,未明显观察到沸腾相变的发生。对固定热流密度82.6 W/cm2、80.5 W/cm2改变工质流量（射流雷诺数）的实验工况,当工质流量由7.5 mL/s逐渐降低至1.0 mL/s时,可以非常明显地观测到射流腔内部工质由分层湍流逐步进入泡状流、弹状流及环状流,其分别对应起始沸腾区、核态沸腾区及膜态沸腾区。