椭圆形扰流柱冷却通道流动与换热数值研究

采用数值计算方法对涡轮叶片椭圆形扰流柱排冷却通道的流动和换热进行了研究,得到了排列间距、迎角、椭圆长短轴之比等因素对冷却通道流动和换热性能的影响.在相同截面积和排列方式条件下,椭圆形扰流柱迎角为0°时,分析结果表明,椭圆形扰流柱冷却通道压力损失系数约为圆形扰流柱通道的51.7%,平均努塞尔数约为圆形扰流柱通道的83.75%;长短轴比为5/1.8时,压力损失系数仅为圆形扰流柱通道的(长短轴比等于3/3)28.1%～35.5%,平均努塞尔数为圆形扰流柱通道的71.1%～75.06%.      

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.      

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。     

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。     

不同直径及形状的短扰流柱群的流阻及换热

采用放大的模型对装有五排短扰流柱的涡轮叶片尾缘的冷却通道的流阻特性及通道端壁表面上的局部换热系数进行了测量 ,重点研究了扰流柱直径及形状的影响。结果表明 :(1 )扰流柱直径越大 ,压力损失系数越大。在相同条件下 ,圆柱形扰流柱排的压力损失系数要大于圆锥形扰流柱排的压力损失系数 ;(2 )圆柱形扰流柱排内的换热强化系数的增长速度比圆锥形扰流柱排要快 ,而且达到的最大值也较大。扰流柱直径越大 ,在相同的局部位置处换热强化系数越大 ;(3 )当扰流柱直径增加时 ,其阻力的上升要比换热的上升快的多。与圆柱形扰流柱相比 ,锥形扰流柱更有利于增强换热或减小流阻     

扰流柱形状对冲击冷却综合换热效率影响研究

为研究不同形状的扰流柱对冲击冷却系统的影响,对具有菱形、正方形、圆形以及椭圆形扰流柱的冲击冷却进行数值模拟研究,获得了射流Re在1×10~4～3×10~4内冲击靶板的换热特性以及通道内部流场的流动特征,分析冲击射流与不同形状的扰流柱之间的作用机理,并且为了综合考虑换热效果与流动阻力,使用综合换热效率来评价扰流柱在冲击冷却中的作用。研究结果表明:在冷却空气入口条件相同的情况下,菱形扰流柱靶板具有最高的平均努塞尔数Nu以及流动阻力,相比于正方形、圆形和椭圆形扰流柱,Nu分别提高了3.8%,8.9%,10.4%,流动阻力分别提高了9.6%,17.1%,21.3%。圆形扰流柱靶板的综合换热效率相比于菱形、正方形和椭圆形扰流柱分别提高了10.8%,4.9%,1.7%。扰流柱在冲击冷却中所起不同作用的主要原因是其与冲击射流作用后产生涡流的情况及其阻挡横流的能力。当综合考虑换热效果与流动阻力时,在所研究的4种扰流柱形状中,圆形扰流柱是最佳的选择。     

梯形和矩形通道内短扰流柱排流动与换热计算

为了得到逐渐收缩的梯形通道内扰流柱排的流动换热的规律,对梯形通道内扰流柱排的端壁换热和压力损失进行了数值计算,并与矩形通道进行比较。计算结果表明:(1)梯形通道与矩形通道的端壁总平均换热系数相差不大,但是梯形通道内每排扰流柱的Nu数相差较大。(2)相同来流Re数条件下,梯形通道的压力损失系数远大于矩形通道。所以,在实际计算逐渐收缩的梯形通道内扰流柱排的平均换热时,可近似采用矩形通道内扰流柱的实验关联式,并且将每排扰流柱分别计算。在计算压力损失时,不能将梯形通道近似成矩形通道。     

带射流冲击的短扰流柱排内流场的实验研究

用五孔针对带射流冲击的单排短扰流柱内的流场作了详细的测量,得到并分析了带射流冲击的短扰流柱排内的速度分布规律及流场内的漩涡分布.在实验中清楚地探测到流动在靠近扰流柱表面附近速度较大,在对称中心区域发现了一大片低速区,并有回流和漩涡产生.实验发现由于端壁效应和扰流柱表面的流动分离造成扰流柱排内有较强的漩涡流动,扰流柱根部有马蹄涡产生,扰流柱后尾迹区有湍流涡的发展,流道内侧向压力分布不均匀可形成通道涡.与无射流情况比较发现扰流柱表面分离点后移,尾迹区明显减小.     

扰流柱排内部流场的实验研究

在小型风洞上,测量了叉排型扰流柱排内部的流场分布,得到了叉排型扰流柱排内部流场速度、旋涡和压力的详细分布情况,发现奇数和偶数测量截面上的速度分布规律不同,在奇数截面上可以观察到通道涡,在偶数截面的端壁附近存在马蹄涡     

涡轮叶片尾缘梯形通道异形扰流柱流动换热特性实验

针对叶片尾缘梯形通道内叉排排列的圆形、椭圆形、水滴形和哑铃形扰流柱的流动换热特性进行了实验研究.研究结果表明:在相同的进口雷诺数情况下,水滴形扰流柱的通道压力损失最小,仅为圆形扰流柱的57%;圆形扰流柱和哑铃形扰流柱的换热效果差异不大,比椭圆形扰流柱的换热效果高约20%,比水滴形扰流柱的换热效果高25%左右;进口结构形式对流动换热特性的影响不是非常明显,双排小孔的挡板通道内压力较大,但是换热效果也相对较好.      

涡轮叶片内冷却通道的流阻与换热研究

用实验方法研究了冷却气流在放大1倍模型涡轮叶片内通道的压力、冷热态流阻及局部换热系数分布。得出了相应的经验公式。冷却空气径向进入前缘冷却通道, 到顶端折而向下在两隔板间流动, 大部分空气经隔板5个穿孔弦向流入带三排扰流柱的收缩通道, 并弦向排出叶片尾部。      

肋片扰流对柱肋通道传热和压损影响

针对涡轮叶片内部通道上、下游不同冷却结构的相互影响,采用瞬态液晶实验方法研究了上游90°、60°,V形和W形四种肋片诱导产生的入口条件,对柱肋通道传热分布、强化传热水平和压损的影响,并与无肋片(均匀入口条件)的柱肋通道进行了对比。结果表明,相比于无肋片情况的均匀入口条件,肋片诱导的涡流使柱肋通道底面的传热分布在展向变得不均匀。肋片在增强柱肋底面传热的同时降低了通道压损,从而提升柱肋通道的综合换热效率(但整体通道的流动损失增加了)。其中,W形和90°肋片使柱肋通道具有最高的传热效率,其次是V形和60°肋片,不带肋片的情况的综合传热效率最低。      

涡轮叶片尾缘扰流柱通道流动换热计算

为了深入研究涡轮叶片尾缘扰流柱区域流动的工程计算方法,用开发的基于流体网络计算的一维工程算法,对工作叶片尾缘扰流柱通道进行了计算,并与实验结果进行了对比。计算结果表明:工程计算得出的弦向出流量分布、压力分布从规律和数值上与实验结果都吻合较好,工程算法能够比较准确地计算出扰流柱通道的流动;扰流柱区的气体流动方向基本为弦向,但也存在着一定的径向流动,所以有必要在流体网络计算中设置表示径向流动的流路。     

涡轮叶片弦中区扰流柱强化换热实验

针对涡轮叶片弦中区扰流柱支撑冲击导管的冷却结构建立实验模型,研究了随冲击雷诺数,横流射流密流比,冲击孔靶间距与冲击孔径比等参数的改变,叶片内壁面的换热特性变化规律.并与传统的弦向肋支撑冲击导管冷却结构的光滑壁面换热特性进行对比,重点研究了弦中区扰流柱的强化换热特性.结果表明:弦中区扰流柱明显降低了叶片前缘和前排冲击产生的初始横流削弱换热的负面作用,前缘或前排冲击产生的初始横流可以有效地增强其后部的换热努塞尔数,扰流柱支撑结构所表现出的换热效率优于传统的大间距弦向肋支撑结构.      

流体横掠水滴形微针肋热沉流动和传热特性

对传统圆形微针肋进行了优化,设计了3种不同尾角的水滴形微针肋热沉,并以去离子水为工质,实验研究了各热沉流动阻力和传热特性.结果表明:3种尾角针肋中,尾角为60°时减阻效果最好.水滴形针肋的流线型结构可以改善尾部流动分布,推迟流动由层流向过度区流的转变,且尾角越小效果越明显.不同体积流量下,水滴形针肋的最优尾角有所不同.在实验中,雷诺数范围在200～1000内,尾角为60°的水滴形针肋热沉强化换热效果最好.当尾角为30°时,太长的尾部结构受到下一排针肋的影响,造成较大的流动阻力,导致其整体换热效果较差.      

非等直径柱肋阵列的冷却特性

为优化柱肋阵列冷却效果,通过缩小柱肋阵列中局部柱肋直径得到3种非等直径柱肋阵列通道。采用瞬态液晶测试技术和数值模拟方法研究了其传热和流阻特性。结果表明:保持奇数排柱肋直径的大小,仅减小偶数排的直径,能在传热减弱不多的情况下,使通道的流动阻力大幅降低。适当调整奇/偶数排柱肋的直径,雷诺数为10 000~50 000,奇偶数排柱肋直径比为1.4的非等直径柱肋阵列通道,其平均传热系数仅减小了约6%,而阻力系数则减小了约21%。      

旋转对小间距扰流柱通道内的流动换热影响

为了深入了解旋转对涡轮叶片尾缘扰流柱通道的流动换热的影响,在静止实验研究的基础上,用数值计算的方法研究了旋转情况下梯形小间距扰流柱通道内的流动结构和换热情况.数值计算结果表明:①旋转时沿着径向静压逐渐升高.靠近叶根的流量变小,而靠近叶片顶部的区段出流量变大.②在扰流柱区,旋转时迎风面和背风面的端壁换热都略有增强,但增强的幅度不超过7%,迎风面略高于背风面,但差别不大.沿着径向换热逐渐升高,靠近叶尖处的换热强而靠近入口叶根处的换热弱.      

气壁镀镍和冷却剂入口对再生冷却的影响

考虑冷却剂入口模型及气壁镀镍,对液体火箭发动机推力室再生冷却通道和冷却剂进行三维流动与传热耦合计算.采用经验公式计算燃气侧对流及辐射换热,冷却剂为甲烷,考虑其物性随温度和压力的变化.所得结果表明:冷却剂入口二次流及突扩流场的叠加,使局部压力损失变大,影响进口下游较大区域流动传热状况;气壁镀镍能提高气壁的耐高温性,降低气壁锆铜的温度.      

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%.