低雷诺数涡轮内部流场分析

利用三维数值模拟手段研究涡轮内部流动.对比分析了不同飞行高度工作时涡轮内部流场结构的差异,以反映雷诺数的降低对流动结构和性能的影响.结果表明:在高空工作环境下,雷诺数下降近一个量级,负荷分布发生变化,叶片吸力面发生大范围分离,二次流以及径向掺混明显增强,由此导致涡轮性能恶化,效率急剧下降,这些因素在低雷诺数涡轮气动设计中需给予更多的关注.同时指出,负荷分布形式的选择对低雷诺数涡轮设计有重要意义.     

加热器喷管热-流耦合传热分析

针对加热器喷管中复杂的气、固、液多相流动传热问题,建立了三维热流耦合换热计算模型,分别对燃气、冷却剂和喷管室壁建立不同的控制方程,将辐射热量作为源项加入到方程中,进行流动和传热的耦合计算.采用此方法对美国AEDC(Arnold Engineering Development Center)喷管的流动传热过程进行了计算,数值计算结果与试验结果吻合较好.在此基础上对某超燃冲压发动机试验台水冷式加热器喷管的换热问题进行了三维数值模拟,并定量分析了辐射换热对加热器喷管壁面温度分布的影响.结果表明:冷却水流量取2.0 kg/s时,加热器喷管气壁最高温度为660K,膜温度为430 K,加热器能可靠冷却,其热效率满足试验要求,对于含有H2O和CO2这样的高温燃气,辐射热量对喷管壁面温度分布有较大影响,必须引入到温度场的求解之中.     

矩形微槽乙醇水溶液传热特性数值模拟

由于影响微槽传热特性的因素较多,实验研究结果相互矛盾,使得实验研究和数值仿真相结合成为进一步深入认识微槽传热特性的有效手段.在实验研究的基础上,采用有限体积法对矩形微槽中体积浓度30％的乙醇水溶液传热特性进行了三维数值模拟. 矩形微槽采用两种不同对称结构和热边界条件,进口采用流动完全发展边界条件.对不同对称结构和物性条件(常物性和变物性)的计算结果进行了比较,并与实验结果进行了对比.研究表明,对所研究微槽结构和工质,采用流动完全发展进口条件,以及随温度变化的热物性参数,数值计算结果与实验结果基本吻合.      

可变桨距冲压空气涡轮混合型流场数值研究

冲压空气涡轮流场数值研究主要目的是模拟在实际高空加油工作状态下涡轮变桨距气动特性.数值风洞实验采用代数Baldwin-Lomax湍流模型,雷诺平均Navier-Stokes方程,模拟可变桨距冲压空气涡轮全三维混合型流场,并分析其流场主要气动特性,探讨桨叶载荷分布原因,然后将数值模拟结果与风洞实验数据进行了比较.改进桨叶近轮毂区域气动性能可进一步提高冲压涡轮载荷.      

涡轮叶片尾缘复合冷却通道换热的数值模拟

用数值模拟的方法对一种典型的涡轮叶片尾缘冷却结构进行了数值计算,该冷却结构由横肋通道和交错扰流柱排构成.通过对不同进气雷诺数的计算结果分析可以看出:对所研究的冷却结构,扰流柱通道顶部及底部这两处冷气流速较高的区域的换热系数也比较高,温度较低;尾缘冷气出流孔处的换热系数也比较高;但扰流柱区的中部则由于冷气量明显不足导致明显的换热系数降低.      

面向涡轮叶片方案优化的变保真度设计系统

提出了面向涡轮叶片初始设计的变保真度的多学科设计优化方法,建立了自动化的设计系统以提高设计效率.该系统集成了分析工具和设计团队以及数据管理系统,使得设计过程自动地运行.开始设计阶段使用基于经验公式的低保真度模型;优化中的三维仿真过程使用基于精确的流体分析和结构分析的高保真度模型.过程按照模型保真度的不同分3个阶段,渐近地获得最优解,同时考虑非设计点的优化.通过实验设计搜索并逐渐缩小设计空间,使得高保真度分析所带来的计算成本得以减少.最后以一个2级轴流涡轮的叶片初始方案设计验证了本设计系统.     

基于球堆叠的月壤蓄热器传热特性数值研究

月壤蓄热是月球原位资源利用的一种重要方式,也是解决未来月球基地能源需求的最具潜力的途径之一。针对月壤蓄热过程,建立了基于球形堆叠的月壤蓄热器多孔介质蓄热模型。蓄热器的壳体采用登月舱下降级的燃料罐,流体传热介质采用氦气。通过数值模拟的方法研究了不同流动压降下月壤蓄热球堆叠方式、球直径对蓄热器传热过程的影响规律和机理,并分析了蓄热动态过程。研究结果表明,月壤蓄热球在简单立方体均匀堆叠(SC)和面中心立方体均匀堆叠(FCC)两种方式下,SC堆叠方式的综合蓄热指数比FCC模式可提高30.2%;同时还发现月壤蓄热球的直径存在最优值,可使得蓄热器在单位泵功下获得最大的蓄热量,并且该最佳值随着流体进出口压差增加而减小。该研究可为未来月壤蓄热器的设计和优化提供理论指导。     

面向气热耦合的涡轮叶片计算域模型建模方法

针对冷却结构复杂的涡轮叶片在气热耦合数值模拟中计算域模型建模效率低、模型质量不稳定以及对数值模拟适应性差等问题,分析面向制造的涡轮叶片模型及建模方法,结合气热耦合数值模拟对涡轮叶片数值模拟的实际需求,提出一种面向气热耦合的涡轮叶片计算域建模方法。通过外型冷却特征自动定位生成算法,创建涡轮叶片冷气域部分;通过自适应管道求交算法、边界自动匹配算法,创建能够适应不同叶型的涡轮叶片燃气域部分;此外,在创建流体域的过程中提取气热耦合数值模拟所需的关键几何特征及非几何信息,并与冷气域、燃气域、叶片实体集成,完成气热耦合计算域模型的生成。基于以上研究开发涡轮叶片气热耦合计算域模型快速建模系统,验证所提方法的有效性。      

粗糙度对涡轮叶片流动转捩及传热特性的影响

为研究表面粗糙度对涡轮叶片流动转捩以及传热特性的影响,在自行开发的CFD程序平台上提出了对γ-Re_θ转捩模型的粗糙度修正方法,并参考平板绕流和涡轮叶栅的实验数据对该方法进行验证。考虑粗糙度效应的影响,对Mark Ⅱ涡轮导叶5411工况进行数值模拟,得到如下结论:表面粗糙度对层流边界层换热系数影响不大,而对湍流边界层则有较大影响,进而显著改变壁面温度分布;与光滑壁面相比,5μm的等效沙粒粗糙度使吸力面湍流区域壁面温度升高约5.7K,100μm粗糙度使壁面温度升高28.4 K,增幅达5%左右;当壁面粗糙度较低时,激波干涉对吸力面边界层的转捩起主导作用,而当粗糙度大于某临界值时,其作用会使转捩位置突然变化,本算例中该临界值近似为150μm。      

高位垂直进气旋转盘非稳态换热的实验研究

用实验的方法对高位垂直进气的转静系旋转盘在非稳态情况下的流动与换热特性进行了研究,主要研究了冷气流量系数和旋转雷诺数的变化对盘面温度和平均努塞尔数的影响.结果发现:冷气流量的改变对盘面的换热影响非常明显,盘面各点温度随时间的变化率是相同的;旋转雷诺数增加使盘面平均努塞尔数增大,旋转雷诺数变化的方式导致盘缘区域温度随时间的变化率与中心区域的不同.      

气冷涡轮导叶流热耦合计算及机理

针对气冷涡轮叶片的多场耦合特性,利用流热耦合（CHT）方法,对采用不同气冷结构的高压涡轮导叶进行数值模拟。在内冷涡轮导叶算例中,对比实验数据选取精度较高的流热耦合计算方案,分析该内冷涡轮导叶的多场特性及耦合机理。在此基础上,以带有气膜冷却孔及内冷通道的气冷涡轮导叶为研究对象,重点围绕冷却射流与主流的相互作用,讨论近壁边界层中流热耦合关系及气冷效率影响因素等相关问题。结果表明:采用流热耦合计算方法及合适的湍流转捩模型有利于提高数值精度;气冷涡轮导叶的流场温度场密切耦合,流动换热特性互相影响;冷气射速低时,增加冷气流量可提高气膜冷却效率,冷气量达到一定值时,冷气流量增加将导致气膜冷却孔后上游冷却效果变差,下游冷却效果变好;冷气射速较高时,将与主流相互作用产生复杂流动结构（如肾形涡、马蹄涡等）,对温度分布存在一定影响。      

Y形构形微通道流动换热特性的数值分析

针对矩形芯片提出了Y形构形微通道的芯片内部冷却结构,通过三维数值计算比较了Y形构形微通道与传统直微通道中的流体层流流动和换热特性,并对Y形构形微通道的重要结构参数进行了优化.研究表明:在相同对流换热面积和水利直径的条件下,Y形构形微通道具有比直微通道更高的传热效率和更低的进出口压降,可以满足高热负荷需求.在研究范围内通道级数为3级、分叉角度为60°、分支个数为2时,散热器的综合换热性能最好.以上结论为Y形构形微通道的结构设计提供了重要依据.     

乙醇燃料微型燃气轮机设计

推广生物质燃料在以微型燃气轮机为核心的分布式能源技术中的应用,设计了一种可燃用乙醇燃料的微型燃气轮机.通过整机热力循环参数分析,确定了乙醇燃料微型燃气轮机的设计点参数,并结合乙醇燃料特点,对燃烧室的几何尺寸进行了设计,获得了适用于乙醇燃烧的微型燃气轮机燃烧室技术.初步的整机实验结果表明,该乙醇燃料微型燃气轮机成功实现自行运转,证明了设计方案可行.     

涡轮叶片尾缘复合通道的流动与换热

实验研究了涡轮叶片尾缘带纵向隔板内冷通道的流动与换热特性.采用相变加热的方法为实验提供了等壁温边界条件,模型实验件采用了扰流柱和微小通道结构,并且分别与直隔板和波形隔板进行组合实验,以期望得到综合换热效果最优的组合.为了获得通道的局部换热信息,实验件的一侧外壁面被细分成了10个集水区域分别进行研究.结果表明:当Re在10 000~60 000之间时,综合换热效果最差的是直隔板加光通道的组合结构,综合换热效果最佳的是波形隔板加微小通道的组合结构.     

环肋翅片管相变传热特性及分形优化

基于管壳式相变换热器,通过数值模拟方法研究了35号石蜡在矩形环肋翅片管外的融化传热特性,建立肋片单元三维模型研究热流体温度、肋片高度参数对传热过程的影响,并探究了分形结构翅片的优化传热性能。结果表明：矩形环肋翅片管外相变融化过程分为传热速率差异明显的3段,适用于不同功率需求;提高热流体入口温度和相变材料温差近似等比增强总传热功率;肋片高度由10 cm分别提高至12.5 cm、15 cm时,总融化时间分别缩短42.89%、71.96%,增强传热,但功率重量比降低;分形结构优化翅片总融化时间缩短41.95%,功率提高,为相变翅片管的优化设计提供参考。     

涡轮叶片微小通道气膜新型复合冷却结构设计

利用数值模拟的方法,研究了一种应用于涡轮导向器叶片的微小通道气膜新型复合冷却结构.重点是对微小通道和气膜孔的新型复合冷却方法进行结构设计并进行结构优化,探讨不同的冷却结构形式对流动和换热的影响.研究表明:不同的复合冷却结构对冷却效率和压力损失的影响不同;在所设计的几种复合结构中,分枝小通道结构在平衡冷却效率和压力损失方面有着较好的效果;所计算的几种复合结构的结果都显示,微小通道气膜新型复合冷却结构的冷却效率高于铸冷叶片的冷却效率,冷却效果好,具有巨大的应用前景.