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。     

微尘沉积形貌对冲击气膜冷却结构换热特性影响的数值研究

带有微尘的空气进入航空发动机,极易在涡轮叶片内冷通道发生沉积。为探究微尘沉积形貌对涡轮叶片内冷通道换热特性的影响,选取冲击气膜冷却结构,基于微尘沉积实验结果,构造微尘沉积形貌,由锥状突起和环状突起组成,通过数值模拟获得不同射流雷诺数下冲击靶面努塞尔数Nu。研究结果表明,冲击靶面微尘沉积层的出现,将大幅降低浸润面积平均努塞尔数Nuwetted,而对映射面积平均努塞尔数Nuavg影响较小;冲击驻点周围的高换热区范围减少;相邻冲击孔中点附近的高换热区努塞尔数Nu增大;此外,射流雷诺数的增大整体上提高了冲击靶面的换热强度。由于锥状突起和环状突起的扰动作用, 壁面附近回流涡增多, 使得冲击靶面大部分区域温度边界层厚度增加,因此换热性能降低。     

非均匀横流作用下冲击射流冷却的数值研究

运用数值计算的方法对非均匀横流作用下冲击射流冷却的流动和传热过程进行了三维数值研究,揭示出射流冲击孔和横流孔相对排列方式、射流雷诺数和横流雷诺数相对大小、射流孔中心至横流孔出口截面距离等因素对冲击射流冷却流动传热特性的影响。结果表明:若保持总的冷却流量不变,当横流雷诺数与射流雷诺数之比等于或大于0.5后,有横流时的冲击射流冷却局部努塞尔数比无横流时有较为显著的下降;在非均匀的横流作用下,对于叉排和顺排方式,由于射流和横流的相互作用,壁面温度分布呈现出复杂的特征;射流孔和横流孔呈顺排布置时,峰值努塞尔数所对应的射流驻点区向下游偏移。      

密集型阵列冲击射流换热特性实验

设计了多种不同几何参数的阵列射流冲击孔实验件,利用红外热像仪对其冲击冷却进行了热像显示实验,获得了冲击射流雷诺数和几何参数对局部对流换热特性的影响规律.结果表明:①对流换热系数随着射流雷诺数R_ej的增加而逐渐增大;②随着孔间距的或者冲击间距的增大,冲击冷却的对流换热效果逐渐减弱;③当孔间距与孔径之比在3～5时,顺排阵列射流的强化换热效果优于叉排,而当孔间距与孔径之比为2时,在阵列射流上游叉排排布的强化换热效果优于顺排,而在下游则顺排排布的强化换热效果占优.      

延伸冲击孔冲击冷却流动与换热特性的数值研究

采用数值模拟方法研究了延伸冲击孔冲击冷却系统的冷却特性,分析了3个冲击雷诺数和5个冲击孔延伸长度对冲击腔内流动与换热特性的影响,给出了靶面努塞尔数分布、靶面压力分布、中心截面流速与综合换热性能的变化。结果表明：延伸冲击孔可以有效地防止横流对冲击射流的偏转作用,同时使射流出口更加贴近冲击靶面壁面,冲击速度更高,可以明显提高靶面的换热系数,并使整个靶面上的换热系数分布也更加均匀。冲击冷却的冷却性能随着冲击孔延伸长度的增加而增加,相较于传统冲击冷却（baseline）,在L/d=2.5时靶面平均努塞尔数提升达15%以上,但压力损失也相对较高;对比不同延伸长度冲击孔的综合换热性能,发现存在最佳的L/d取值范围使冲击冷却系统获得最佳的综合冷却性能。在本研究范围内,最佳的L/d= 2.5。     

带有加强肋的涡轮机匣排孔冲击连腔结构内部换热特性研究

为获得涡轮机匣内部表面换热系数分布数据,以带有加强肋的排孔冲击连腔结构为对象进行了瞬态液晶实验。研究了不同射流雷诺数（Re=5.1×10³~1.1×10⁴）、冲击间距比（2.5,5.0,7.5）及轴向间距比（4.0,9.0,14.0）对靶面努塞尔数的影响规律。实验结果表明：增大射流雷诺数对靶面平均努塞尔数的提升最显著。随着冲击间距比的增大,靶面平均努塞尔数逐渐减小,但这种换热削弱效果局限在距冲击驻点2D~3D（D为冲击孔直径）范围内,其它区域的变化很小。在靠近前后端壁的局部区域,表面努塞尔数随冲击间距比的增大而增大。轴向间距比的改变不会影响无出流孔靶面的换热情况,对于有出流孔靶面而言,轴向间距比为9.0的结构换热效果最好。Re=5.1×10³条件下,轴向间距比为9.0结构在有出流孔靶面上的平均努塞尔数相比4.0和14.0结构分别增大了5.7%和8.1%,并且随雷诺数增大,增幅越大。     

液晶在冲击冷却研究中的应用

 本文利用胆甾型液晶的温色效应,对孔径d=2.4mm,孔间距比xn/d=5,yn/d=6.67的7×10个射孔的多股射流冲击冷却进行了试验研究。在同一个总射流流量下,当孔排方式为顺排和叉排,孔至靶面的距离Z/d=1.08,2.16,3.25时,热图象显示的结果表明:顺排孔的冲击冷却效果比叉排的好,乳至靶面的距离在Z/d=2.16时的冷却效果最好。同时也获得了多股射流冲击冷却的对流换热系数等值线谱图。     

横流对冲击射流换热特性的影响

用实验和数值计算的方法研究了横流对单孔短距冲击换热特性的影响规律.结果表明:①在实验研究范围内,冲击靶面平均努塞尔数Nu_av,is随横流的增大而增大;②冲击靶面前区努塞尔数Nu_fia随横流的增大而减小,这是因为壁面附近x负向流动的气流流速绝对值变小,换热削弱;③靶面冲击点附近及冲击靶面后区努塞尔数Nu_bia随横流的增大而增大,原因是在冲击点上游出现的马蹄涡的旋涡方向和冲击射流自身形成的卷吸涡拉伸涡对方向相同,这两种涡的叠加使该区域冲击靶面的换热得到增强.      

具有微小W型肋的结构化表面冲击冷却实验

将冲击冷却技术与肋化表面相结合,研究了一种具有微小W型肋的表面射流冲击冷却结构。通过稳态实验和瞬态热色液晶测试技术来探究光滑靶板和微小W型肋靶板的传热特性。测试时的冲击间距比为1.5,3和5,基于水利直径的雷诺数为15000~40000。结果表明:两种靶板的平均努塞尔数和压力损失均随雷诺数的增加而增加,随冲击间距比的增加而减小。当冲击间距比为1.5时,与光滑靶板相比,微小W型肋靶板的平均努塞尔数提高了5.1%~7.3%,压力损失却几乎不变。但当冲击间距比大于3时,由微小W型肋带来的强化传热效果并不显著。      

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。     

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%.      

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。     

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.      

克努森数对气膜冷却流动换热相似特性的影响

数值模拟研究克努森数Kn对不同尺度气膜冷却流动换热相似特性的影响,选取孔径为0.3,3,10mm平板单排圆柱形气膜孔模型,计算得到模型在Kn不同与相同条件下冷却效率和孔流量系数.结果表明:Kn相同时,小孔与大孔模型流动换热特性相似,冷却效率及流量系数均吻合很好;Kn不同时,两模型流动换热特性存在一定差异,冷却效率及流量系数吻合较差.因此为在气膜冷却相似放大研究中得到准确的相似结果,需要保证小孔及大孔模型的Kn相同.      

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–...     

旋转半受限单孔冲击局部换热特性实验

利用热膜法测量局部换热系数Nu,对旋转条件下半受限冲击射流的换热特性开展了实验研究.通过改变冲击雷诺数Re(20 00035 000)和旋转数Ro(00.003 441)等参数,讨论了旋转状态对半受限单孔冲击换热特性的影响.实验结果表明:旋转显著影响了冲击靶面的局部换热系数分布规律.在实验工况范围内,靶面局部(平均)Nu数均是先随着旋转数Ro的增加而增强,后又随着旋转数Ro的增加而减小.实验中还观察到同静止情况相似,旋转条件下半受限冲击射流的冷却效果也是随着冲击Re的增加而不断提高.