涡轮叶片内"冲击-气膜出流"局部换热特性数值模拟

用RSM模型对有、无冲击气膜出流冷气侧气膜孔局部换热特性进行了数值研究。取气膜孔前后3倍气膜孔径范围为研究对象。在无冲击射流时,通过改变来流雷诺数、气膜出流与横流密流比,对气膜孔的“溢流效应”进行了研究。研究发现,气膜孔局部的换热均随两者的增加而增强。将实验结果和计算结果进行了比较,趋势吻合。在有冲击射流时,着重研究了流动和几何参数对气膜孔局部换热特性的影响,分析了“冲击-气膜出流”局部换热特性规律。     

有初始横流阵列射流冲击的三维数值计算

对具有初始横流的阵列射流冲击的流场和温度场进行了三维数值计算 ,研究了射流孔与冲击靶面间距、射流冲击孔排列方式和射流与横流质量流量比等因素对换热特性的影响。结果表明 :( 1 )在不同的射流孔与冲击靶面间距下 ,对于给定的射流与横流质量流量比 ,顺排方式的冲击冷却效果要优于叉排方式 ;( 2 )射流孔与冲击靶面间距对阵列射流冲击的流动和换热特性影响是非常复杂的 ;( 3 )随着初始横流与射流质量流量之比增加 ,在相同的射流孔与冲击靶面间距下 ,顺排和叉排方式的冷却效果均呈现单调的下降     

半圆柱形凹靶面单排射流冲击换热实验研究

对半圆柱形凹形靶面单排圆形喷管和冠齿形喷管射流冲击换热进行了实验研究。凹形靶面直径与喷管直径之比D/d为10,射流孔节距与直径之比W/d为5,射流雷诺数分别为5 000、10 000和20 000,冲击间距比H/d分别为2、4、6和8。实验结果表明：两种形状喷管均在冲击间距比H/d=4时获得最强的驻点对流换热,但凹靶面前缘附近纵向平均努塞尔数基本呈现随射流冲击间距增加而减小的单调变换趋势;相对于圆形喷管,冠齿喷管射流冲击使得凹形靶面前缘线上的纵向平均努塞尔数最大提高幅度约为16%,凹形靶面前缘±2d区域的面积平均努塞尔数最大提高幅度约为18%。     

内冷通道横流对气膜冷却效率的影响

在吹风比(Br)为0.5~2.0、横流比(Cr)为0~3.0范围内,采用数值模拟方法研究了内部冷却通道横流对单排圆柱形气膜孔气膜冷却特性的影响。相比于基准的无横流进气方式,横流进气诱导冷却气流在气膜孔内形成旋流流动,使得气膜射流与主流的相互作用更为复杂。横流比的影响在不同的吹风比下有较大差异:在较小的吹风比下,横流比小于1.0的气膜绝热冷却效率略高于无横向进气的基准情形,而横流比大于2.0的气膜绝热冷却效率相对基准情形有一定幅度的下降;在较高的吹风比下,横流进气带来气膜绝热冷却效率的增强,横流比为2.0的气膜绝热冷却效率相对较高。在大横流比下,随着吹风比的增加,气膜在展向的覆盖范围明显扩大。     

双层涡轮叶片异形冷却单元内换热特性实验研究

基于实际加工成型的双层涡轮导向器叶片内部特征,模化出操场形和椭圆形截面冷却结构。针对其内部应用的冲击/气膜复合冷却形式,实验研究了冲击靶面的换热特性,重点分析了通道截面形状不同时,进口Re数、气膜出流以及冲击孔和气膜孔的相对位置对冲击靶面换热特性的影响。研究中发现通道内部局部Nu数呈中心对称的波浪形分布,并且气膜孔壁面上游的换热效果整体低于下游,只有在靠近气膜孔中心局部区域的换热系数较高。随着进气Re数增加,换热效果逐步增强 。实验数据表明,截面形状不同的冷却通道的换热特性规律不同。对于操场跑道形冷却通道,冲击孔和气膜孔顺排时冷却效果较好;而椭圆形冷却通道中,冲击孔和气膜孔错排时冷却效果较好。     

液晶显示的单孔冲击冷却传热特性

本文利用胆甾型液晶加热膜复合体显示表面换热的特性,对单孔射流冲击冷却,分别在改变孔靶间距比、射流流量和加热功率的条件下,通过试验取得了一系列的热图像,对有横流的单孔冲击冷却,也做了类似的试验。从而利用液晶温色效应获得温度场和高分辨率的对流换热系数等值线谱图形,即传热表面的换热特性。在单孔冲击冷却试验中,还观察到了双峰的热显示图像。     

出口马赫数0.81~1.01下涡轮导向叶片全气膜冷却特性研究

通过瞬态热电偶测量方法研究了涡轮导叶叶片全气膜换热系数和气膜冷却效率。试验叶片共有13排气膜孔,气膜孔排由前后2个腔供气,前腔二次流与主流流量比为5.06%,后腔为1.14%。为匹配真实发动机工作条件,叶栅进口雷诺数试验范围为1.7×105~5.7×105,出口马赫数范围为0.81~1.01。试验获取了叶片表面压力系数和换热系数分布规律,并研究了叶栅进口雷诺数和出口马赫数对叶片全气膜冷效分布的影响。结果表明:气膜孔下游的换热系数和气膜冷效较高;主流雷诺数的增加对冷却效率的提升有积极作用,特别是在叶片吸力面,而马赫数对叶片表面气膜冷效影响甚微。     

带偏转角气膜出流发散壁冷却特性的数值分析

运用数值计算方法对带偏转角气膜出流发散孔壁的冷却特性进行了研究,分析了气膜孔偏转角对气膜冷却效率和流量系数的影响。研究结果表明,带偏转角气膜孔喷出的气膜出流具有侧向涡旋特征,增强了气膜射流的横向能力,对于改善发散壁前端的冷却效率具有一定的作用,在高吹风比下更为显著;随着偏转角的增加,发散壁前端气膜孔的流量系数则呈降低趋势。     

叶片前缘有气膜孔的冲击冷却研究

为了确定涡轮叶片前缘阵列射流冲击到穿孔靶面的传热特性,本文采用六个放大比例的模型,进行了一系列的实验研究。在广泛的实际有兴趣的参数组合范围内,分别对各种模型,获得了压力损失和N_u数与射流雷诺数的关系式。这些组合参数包括:射流雷诺数,叶片前缘曲率半径与孔径的比,射孔间距与孔径的比以及射流冲击间隙与孔径的比。并利用实验数据,分析了各项几何参数的影响。     

磨削工件表面含湿空气射流冲击的换热

针对磨削工件表面的射流冲击对流换热过程,一方面,通过数值研究,揭示旋转表面诱导的气旋和射流冲击的耦合流动换热特征;另一方面,通过实验研究,定量分析含湿空气射流冲击的强化换热效果。研究结果表明,当盘缘在射流冲击喷嘴附近的切向速度与射流冲击方向协调时,旋转盘诱导的气旋运动和射流冲击的耦合作用有利于改善磨削弧区的对流换热,随着转盘旋转速度的增加,其强化对流换热的效果更显著;采用含湿空气作为冲击射流可以显著提高加热壁面的冷却效果。     

利用三角形突片改善冲击换热特性的计算与实验

运用数值计算方法对射流孔上加三角形突片和不加突片的射流冲击冷却在不同的冲击间距、不同的射流雷诺数下的流动和传热过程进行了三维数值模拟,并采用红外热像仪测试技术对加装突片后的射流冲击冷却进行了热像显示试验,揭示了突片对改善冲击换热特性的影响.研究结果表明,本文的计算结果与实验特征是基本吻合的.     

单排圆柱孔射流气膜加热与气膜冷却方式的对比

为了揭示气膜加热和气膜冷却两种方式在影响规律机制上的异同,通过数值计算研究了两种方式单排圆柱孔在典型吹风比下(0.5,1.0和1.5)的射流-主流相干特征,并分析了热气流-冷气流温度比变化对气膜绝热加热或冷却效率的影响。研究结果表明:在相同的吹风比下,在气膜加热方式下喷注射流向主流的穿透趋向更为显著,引起喷注射流抬离壁面并在气膜孔出口附近诱导出尺度更大的卵形涡对;当温度比接近于1时,气膜绝热加热效率与气膜绝热冷却效率差异较小,随着温度比偏离1的程度加剧,气膜绝热加热效率与气膜绝热冷却效率差异显著增大。     

微小矩形通道内流动与换热特性

采用试验和数值模拟方法研究了当量直径为0.633～1.079 mm的微小通道内的流动与换热特性.工质为 液体水,雷诺数Re为100~3 000.试验结果表明,该尺寸范围的通道内层流向紊流转变的临界雷诺数约为1700,层流表观阻力系数和努塞尔数的试验值与数值计算结果吻合良好.最后通过数值模拟对恒定泵功及恒定流 量条件下不同结构参数通道的换热进行了计算,给出了最佳换热结构.     

面向绿色制造的高效冷却技术及其试验

绿色制造和高效加工是21世纪先进制造业的必然趋势,为实现绿色高效加工,本文提出了一种新型的绿色高效冷却技术——低温气动喷雾射流冲击冷却技术,通过低温气流运载少量冷却液以喷雾射流冲击的形式到达加工区实现强化换热,将加工区的换热水平提高到一个全新的水平.瞬态实验结果表明,在射流速度40 m/s、靶距10 mm的射流条件下,这种冷却方式可提供的临界热流密度高达60W/mm^2,相对于磨削发生烧伤的临界热流密度提高了6倍以上.     

回流燃烧室弯曲段冲击扰流柱+逆向对流+气膜冷却效率

为从理论上分析研究回流燃烧室弯曲段冲击扰流柱+逆向对流+气膜冷却结构的传热特性,设计了多种不同几何尺寸的计算模型,运用Fluent软件从流动与换热两个方面对其进行了系统的研究,得出了如下结论:(1)扰流柱的存在强化了冷却空气在冲击腔中的扰动,使得冷却空气与冷侧壁面的换热得到大大地加强,提高了复合冷却结构的冷却效率;(2)在本文研究的几何尺度下,附着于弯曲段热侧壁面的气膜层有效长度最大弧度不超过10°;(3)吹风比对复合冷却效率有很大的影响,在冷却壁面冷却效率随吹风比的增加而增加,但当吹风比M＞1.5时,吹风比对冷却效率的影响已不明显;(4)扰流柱的排列形式对冷却效果的影响不大.     

SSTk—ω模型用于冲击射流冷却的可靠性

文章基于FLUENT软件,首先采用SST k-ω湍流模型,对单孔冲击射流在有横流和无横流两种情况下的换热特性进行了数值模拟,获得了被冷却面的Nu分布规律;然后将计算结果与Goldstein&Behbahani公开的实验结果作了比较.通过比较发现,数值计算结果与实验结果吻合良好.     

旋转条件下带冷却通道的热驱动换热数值分析

在涡轮叶片新型超级冷却技术机理研究的基础上,对新型冷却热驱动换热特性进行数值模拟,得到了旋转条件下微小封闭通道内流体热驱动换热规律。进一步研究了旋转条件下,浮力数（Bu）、旋转雷诺数（Rew）和冷气雷诺数（Rez）等准则参数对热驱动换热的影响,结果表明：浮力数、旋转雷诺数和冷气雷诺数对封闭通道内流体的热驱动换热具有显著的影响,并且随着这些准则参数的增大,热驱动平均换热效果有不同程度的提高。     

模拟涡轮叶片冲击冷却的初步实验研究

本文用六种冲击管对两种尺寸的铝质试验件进行冲击冷却实验。模拟叶片前缘的试验件予先加热,然后由不同的冲击管喷出的射流在不同的流量和距离下对它进行冲击冷却。采用集总热容法来确定铝块的冷却率从而算出冲击平均换热系数,并整理成准则形式。通过计算机的运算得出Nu数与R6数以及三种无因次几何参数的统一的准则关系式。用该式计算出来的Nu数同本文实验测得的Nu数进行了比较,取得比较满意的结果。最后用该式与美国亚利桑那州大学的梅茨格公式和辛辛那提大学的拉维利——塔巴戈夫公式同本文实验数据进行了比较,认为本文整理出来的公式是比较合理的。     

稀疏孔阵层板冷却结构的主要参数影响数值研究

针对燃烧室火焰筒的气动热力条件,在给定的单位壁面面积冷却空气质量流量下,通过数值模拟较为系统地研究了稀疏孔阵层板结构主要参数对冷却性能的影响,冲击孔、扰流柱和气膜孔数之比为1∶10∶1。在本文研究的结构参数范围内,气膜孔和冲击孔直径对于层板的综合冷却效果和压降影响相对较大,增大气膜孔直径有利于改善综合冷却效果并降低冷却气流通过层板的压力损失,增大冲击孔直径虽降低了冷却气流压力损失但同时也导致综合冷却效果有一定的减弱;射流冲击间距和扰流柱直径的改变对压力损失影响甚微,扰流柱直径增加可以提升层板综合冷却效果,小射流冲击间距比的层板综合冷却效果略优。     

突片形状对气膜冷却效率的影响

气膜冷却广泛应用于航空发动机热端部件的热防护,为了提高气膜冷却效果,设计了3种突片型式,采用实验的方法对其冷却效果进行了对比研究,结果表明：突片的存在强化了气膜冷却效率,使得气膜冷却效率远高于无突片的气膜冷却效率。吹风比对不同突片作用有所不同,存在一最佳吹风比,但该值随着突片的型式变化。突片的堵塞比对气膜冷却效率有很大的影响,3种突片作用下的气膜冷却效率均随堵塞比的增加而增大。梯形突片的冷却效率明显优于三角形突片和椭圆突片。但突片亦增大了气膜孔的流动阻力,降低了流量系数。