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。     

阵列射流-扰流柱复合冷却结构换热和压降特性数值研究

为研究阵列射流-扰流柱耦合换热结构对热端部件综合冷却效果的影响,采用数值模拟方法研究了阵列射流-扰流柱复合冷却结构的流动换热特性,重点关注扰流柱相对于射流孔的布置方式(顺排和叉排)、扰流柱直径d_p相对于射流孔的直径d_j之比(d_p/d_j=0.5,1,2)的影响。为体现阵列射流-扰流柱复合冷却结构的导热-对流强耦合传热过程特征,引入了靶板加热侧当量对流换热系数的概念,并分别采用冲击靶面对流换热系数和靶板加热侧当量对流换热系数进行了综合性能的评价分析。研究结果表明,采用绕流柱顺排和叉排方式的冲击靶面对流换热相较于光滑靶板分别增加约30%和10%,而扰流柱相对于射流孔呈顺排方式的对流换热效果要优于叉排方式,同时,顺排方式的压力损失系数却低于叉排方式。至于扰流柱相对于射流孔的直径比的影响,基于冲击靶面和靶板加热侧对流换热系数的综合性能评价存在显著的差异。     

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.      

层板结构内部换热特性的研究

 在已研究流阻特性的基础上,通过改变扰流柱柱高、柱形,对两种类型结构的层板进行内表面换热系数的测量、分析。层板内表面上的换热系数随冲击距离的减小而增大,随冲击孔间距的增大而减小。方形扰流柱的换热情况要稍好于菱形扰流柱、圆形扰流柱,并且柱子高低对流场影响很大,尤其是C 型绕流方案。基于换热体积和换热面积之比特性尺寸的努谢特数与冲击雷诺数之间成对数线性关系,并整理出准则关系。     

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。     

涡轮叶片尾缘内冷通道旋流冷却特性

针对简化的叶片尾缘,设计了3种旋流冷却结构,即冷气分别从旋流腔中部射流孔、旋流腔异侧射流孔、旋流腔同侧射流孔进出旋流腔,并与常规凸台扰流柱冷却结构进行了对比数值研究,分析其强化换热机理和效果.结果表明:旋流腔的结构和冷气的进流布置对旋流冷却性能的影响很大,冷气从旋流腔某侧射流孔进出的旋流冷却结构不仅在流向截面产生涡旋,在展向截面也会产生涡旋,从而有效强化对流换热;相比凸台扰流柱冷却结构,旋流冷却结构能够增强换热,平均努塞尔数增大6.8%~22.9%,但流动阻力也随之增加;冷气从旋流腔异侧射流孔进出的冷却结构强化换热能力较高;而冷气从旋流腔同侧射流孔进出的冷却结构流动换热综合系数比凸台扰流柱提高4.2%,综合性能相对较优.      

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.     

带射流孔板扰流柱-微窝通道流动换热数值研究

利用Fluent-CFD软件对带射流孔板扰流柱-微窝梯形收缩通道的流动和换热特性进行数值研究,分析扰流柱和微窝排布对压力损失和换热强化的影响。研究结果表明,扰流柱-微窝结构有利于换热的强化,同时也导致通道内进出口压力降的提升。扰流柱-微窝的排布方式对于通道内的压力损失和换热强化有一定的影响,随着微窝直径和深度的增加,扰流柱-微窝结构的强化换热效果得到增强,综合冷却系数有一定幅度的降低。     

典型层板冷却结构中流体流阻与换热特性的实验

对进气孔、扰流柱和出气孔个数之比为1:4:1的典型层板冷却结构的流体流阻与换热特性进行了实验研究.结果表明, 对于进、出气板间距不大的层板模型, 出气板内表面的换热系数最大, 扰流柱表面的换热系数次之, 进气板内表面的换热系数最小.对不同层板模型的比较表明, 相同流量下随着进气孔直径的增大, 流阻系数增大, 进气板内表面的换热系数变化不大、出气板内表面的换热减弱;随着出气孔直径的增大, 流阻明显减小, 进气板内表面的换热减弱, 出气板内表面的换热变化不大;随着出气孔倾角的增大, 流阻增大, 进气板内表面的换热增强, 出气板内表面的换热变化不大.      

冲击孔对层板冷却叶片前缘传热影响的数值研究

根据典型涡轮导向叶片型面和边界条件,对简化的层板冷却叶片前缘的流动和传热特性进行数值研究.考察了两种冲击孔与气膜孔和扰流柱的孔阵排布方式、两种冲击孔轴线与靶面的夹角设置方式对叶片前缘换热的影响,计算中采用re-normalization group(RNG)k-ε湍流模型.结果表明:在气膜孔、扰流柱排布一定的条件下,不同冲击孔的模型的冷却流量相差不到1%.冲击孔数目越多和孔径越小的模型的靶面表面传热系数越高;叶片前缘表面的冷却效率越高,提高约2%.在同一种冲击孔孔阵排布方式下,冲击孔轴线和靶面的夹角对流阻和叶片前缘的换热影响不大.      

微尺度阵列射流冲击结构换热特性实验研究

为了研究真实发动机尺寸下带有长圆形扰流柱阵列射流冲击结构的换热特性,选取雷诺数Re范围为1000~10000,并保证与真实发动机工况相同的克努森数Kn条件下,进行了实验研究。扰流柱排布方式分为顺排和叉排,冲击孔径D=0.4mm,0.5mm,0.6mm,冲击距H/D=1,1.5,2,详细分析了几何参数对结构整体平均对流换热系数的影响。结果表明:扰流柱的排布方式对平均换热系数影响很小,原因在于长圆形扰流柱的导流作用强于扰流作用;相同雷诺数时,孔径减小,流量减小33%,换热系数最大下降幅度10%,小孔结构具有保持相同换热强度、减小流量的应用潜力;相同雷诺数时,换热系数随着冲击距的减小而增大。     

扰流柱直径对倾斜出气孔层板内流动和换热影响的数值研究

用数值模拟的方法, 研究了倾斜出气孔层板结构最小单元体内扰流柱直径对于层板内流阻和换热的影响.采用了非结构化网格, 并对气流转角较大区域做了局部加密;选择k-ε湍流模型方程, 配以壁面函数率, 求解稳态无旋转的层板;采用了流体域与固体域耦合求解法计算耦合换热.给出了计算结果并分析了流动和换热情况.研究结果表明适当增加扰流柱直径有利于降低流阻、提高冷却效率.      

带射流孔板矩形扰流柱通道内的壁面换热

为了研究射流冲击对扰流柱通道内壁面的换热,以及射流孔板与扰流柱前缘的距离对通道换热的影响规律,采用薄膜加热片作为加热器提供等热流边界条件,对带射流孔板的矩形扰流柱通道进行了换热实验。实验结果表明在通道中布置扰流柱可以明显增强通道换热,且在扰流柱排前放置射流孔板可进一步对换热进行强化。实验还发现,射流孔板与扰流柱的间距不同,对通道换热的影响不同;在间距相同的情况下,射流孔板对不同位置的扰流柱换热的影响程度也有所差异。     

层板冷却结构强化换热机理

应用简化的换热模型分析了影响层板冷却效果的因素,得出了燃气侧气膜冷却效率η_f,层板内部换热效率η_i和参数f是影响冷效的决定因素。为了研究层板强化换热机理,提高其内部换热效率η_i以优化层板传热设计,本文在相同的两侧换热条件和冷气密流下,对5种相同孔径、通道高度和开孔率,不同内部绕流形式的层板结构和1种双层壁结构进行了流固耦合传热计算,得到了其综合冷却效率。结果表明层板结构的综合冷却效率明显高于双层壁;冷气沿程吸热焓增带走了大部分从燃气侧进入层板的热,并且冷气与层板内表面的换热主要发生在出气板上,扰流柱的存在增加了换热面积,一定程度上增强了换热;合理设计绕流结构有利于改善层板的热均匀性。      

扰流柱分布对层板流阻和换热性能的影响

研究了层板内部扰流柱排列形式对层板结构流阻和换热性能的影响。在相同的两侧换热条件和进口流量条件下,对孔径、通道高度、开孔率和填充比相同,扰流柱均为圆柱形,出气孔均倾斜30°,扰流柱个数和排列形式不一样的6种模型进行了流固耦合计算,得到了6种模型的流阻和换热特性。结果表明,对于流阻而言,在等填充比条件下,同种排列形式的层板结构,扰流柱越靠近出气孔,层板出气流阻越小;扰流柱的个数越少,腔内流阻越小。对于换热而言,在等填充比条件下,扰流柱个数越多,换热效果越好;扰流柱排列方式的变化,会改变气流流动结构,在一定程度上改变了层板换热性能。     

小间距梯形扰流柱通道内的流动换热数值计算

为了深入了解涡轮叶片尾缘扰流柱区域的流动结构和换热情况,通过数值计算研究了小间距梯形扰流柱通道内的流动和换热.数值计算结果表明:①数值计算得到的端壁静压分布、弦向出流量分布、总压系数与实验结果符合良好,端壁换热分布规律总体上与实验结果一致.②扰流柱区域的流动方向基本为弦向.沿弦向湍流度是逐渐升高的,靠近弦向出口扰流柱后的湍流度比较低.数值计算结果对涡轮叶片内部冷却计算具有重要的参考价值.      

扰流柱分布对层板流阻和换热性能的影响

研究了层板内部扰流柱排列形式对于层板结构流阻和换热性能的影响,在相同的两侧换热条件和进口流量条件下,对孔径、通道高度、开孔率和填充比相同,扰流柱均为圆柱形,出气孔均倾斜300角,对扰流柱个数和排列形式不一样的六种模型进行了流固耦合计算,得到了六种模型的流阻和换热特性。结果表明对于流阻而言,在等填充比条件下,同一种排列形式的层板结构,扰流柱越靠近出气孔,层板出气流阻越小。扰流柱的个数越少,腔内流阻越小。对于换热而言,在等填充比条件下,扰流柱个数越多,换热效果越好,扰流柱排列方式的变化,会改变气流流动结构,在一定程度上改变层板换热性能。     

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。     

用瞬态测试技术研究多孔层板的换热特性

以多孔层板气膜冷却结构为研究对象 ,针对不同结构的多孔层板平板试验件的气膜冷却特性 ,采用瞬态测试技术进行了试验研究。试验结果表明 ,此种冷却结构的冷却效果在一定范围内取决于开孔率。多孔层板内部对流换热比主流与试验板之间的对流换热要强烈得多     

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。