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。     

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。     

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。     

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.      

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。     

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。     

斜劈式翼型扰流柱冷却通道流动与换热数值研究

基于NACA翼型和斜劈式纵向涡发生器结构设计了一种新型斜劈式翼型扰流柱及其在冷却通道内的排布形式,采用数值模拟方法对含有该种翼型扰流柱的涡轮叶片冷却通道流动换热特性进行了研究,得到了流场和温度场的详细特征及含有斜劈式翼型扰流柱冷却通道的换热能力。分析结果表明:斜劈式翼型扰流柱有良好的强化换热效果。该翼型扰流柱的斜劈式结构可以在其尾缘后方形成持久而稳定的二次流纵向涡,有助于加强流场的扰动作用,从而增强通道换热能力。      

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。     

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。      

矩形通道内扰流柱形状对流动和换热特性影响的研究

利用试验和数值模拟两种方法对装有圆形、椭圆形和水滴形三种叉排扰流柱阵列矩形通道内流动和换热过程进行了研究,获得了通道内流场、压力场以及壁面温度场的基本特征,并对其强化换热特性和压力损失特性进行了对比分析。结果表明:装有水滴形扰流柱阵列的矩形通道压力损失分别为前两者的51%和95%,而恒热流壁面的平均对流换热系数相对于前两者而言分别降低了20%和7.9%,压力损失降低的幅度明显高于强化换热的减弱。综合性能评估表明,水滴形扰流柱是一种具有较好综合性能、替代常规圆形扰流柱的理想结构。     

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%.      

水滴形叉排扰流柱阵列矩形通道内流动和换热数值模拟

运用数值计算的方法对具有水滴形叉排扰流柱阵列矩形通道内的流动和换热过程进行了三维数值研究,获得了通道内流场、压力场以及壁面对流换热的基本特征,并与具有相同截面积的圆柱形扰流柱进行了对比分析。研究结果表明:在本文研究的范围内,与圆柱形扰流柱相比,水滴形扰流的强化换热效果约下降约15%,但流动阻力却下降了近50%。      

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.      

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。      

楔形肋片内冷通道传热与流动阻力特性

利用实验和数值模拟方法,分析了楔形肋片几何结构对仿螺旋肋片内冷通道强化传热与流动阻力特性的影响,并将模拟结果与实验数据进行了对比,两者结果吻合良好.研究结果表明,随着楔形肋片导流角的增大,通道的强化传热显著增强,但其流动阻力也明显增大;气流方向的不同对通道总体换热强度影响不是很大,但反吹时通道中的流动阻力却明显高于正吹;从内冷通道的综合换热效果来看,当楔形肋片导流角为7?且气流正吹时是最佳的肋片几何结构参数.      

双层壁冷却结构中多排射流冲击冷却的换热和流阻特性

采用稳态热敏液晶技术对双层壁冷却结构中的多排（包括顺排和叉排）射流冲击冷却结构进行了风洞实验,同时结合数值模拟的方法,对两种射流冲击冷却结构的传热和流阻特性的差异进行了研究。实验结果表明:流量系数和冲击靶板上的努塞尔数均随着雷诺数的增大而增大,而冲击孔的排布方式对面平均努塞尔数的影响较小,但是叉排结构的流量系数高于顺排结构,且冲击靶板上换热更加均匀。数值结果显示冲击靶板中心区域的流量分配和换热均随着冲击距离的增大而增大;而在下游区域内恰好与之相反。      

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。     

层间叉排微针肋液体冷却3D-IC流动及换热特性

用数值模拟的方法,研究了散热面积为1cm2带有层间微散热结构双面均热发热3D-IC内部流体层流流动与换热,对体积流量在36~290mL/min范围内,通道高度为200μm,通道间距为200μm的带有矩形微通道和叉排微针肋液体冷却3D-IC(three-dimensional integration circuit)的流动与换热进行了分析.结果表明:带有层间叉排微针肋液体冷却3D-IC具有良好的换热效果,在热流密度为1.25MW/m2,体积流量为290mL/min时,其发热面平均温度、最大温度只有318.31,323.16K,分别最大减小了12.31,20.14K,此时的功率为250W、体积热源为8.3kW/cm3.