高温气体喷水冷却过程数值仿真研究

环控试验会排出大量的高温气体,高温气体可通过喷水冷却到合适的温度后排出室外,高温气体喷水冷却过程不仅包含了气、液两相耦合流动,而且存在水的蒸发相变.以国内某环控试验室高温气体喷水冷却系统为例,提出了一种基于欧拉-拉格朗日多相流模型的高温气体喷水冷却过程数值仿真方法,并在STAR-CCM+上进行了数值仿真研究,仿真结果表明方法对于高温气体喷水冷却过程数值仿真具有一定的参考意义.     

TBCC发动机涡轮进气道喷水冷却特性数值研究

对涡轮基组合循环(Turbine Based Combined Cycle, TBCC)发动机涡轮进气道进行喷水冷却是解决TBCC发动机推力不连续问题的有效方式之一。本文基于实际流场条件选取某型TBCC发动机涡轮进气道结构,对进气道内喷水冷却特性进行了数值仿真,研究飞行器不同工况下水滴的蒸发特性及喷水对来流高温空气的预冷效果。结果表明,来流空气温度降幅随水气比提高而增大,最高温降可达152.4K。水气比提高后水滴蒸发率逐渐降低,但蒸发总量仍会继续上升。相同水气比条件下,飞行马赫数越高,喷水冷却效果越明显。在Ma3.5飞行速度和水气比0.03条件下有最高蒸发率,达83.05%。喷水冷却有效扩展了涡轮模态飞行马赫数,最高能使飞行速度提升至Ma2.84,即喷水冷却扩展了TBCC从涡轮模态向超燃冲压模态转换的衔接速域。     

导流槽构型对火箭起飞时流场和声场的影响

为了研究四喷管运载火箭起飞时火箭周围噪声环境问题,建立燃气/空气双组分的可压缩流动模型,采用2阶Roe格式、SAS(scale-adaptive simulation)湍流模型和声学类比积分法Ffowcs-Williams Hawkings(FW-H)求解三维Navier-Stokes方程。以单机火箭的噪声问题为对象开展数值模拟,并将噪声数值计算结果与试验数据对比,误差在3dB以内(相对误差小于1.6%),验证预测噪声方法的有效性,进而研究四喷管运载火箭起飞阶段采用不同导流槽构型对箭体舱段区域噪声环境的影响,结果表明:在相同噪声接收点处,单侧导流槽对应的总声压级比双侧导流槽大,两者的总声压级(OASPL)之差最大为10.7dB。另外,当采用单侧导流槽时,沿周向接收点的噪声总声压相对单侧导流槽中心截面呈对称分布,而且沿导流出口方向逐渐增大。所建立的噪声数值方法为大推力捆绑运载火箭舱段的噪声环境预测及其控制提供一定参考。     

矩形冷却槽道内煤油热裂解过程数值研究

高马赫数下超燃冲压发动机煤油再生冷却过程中易发生热裂解反应导致结焦,因此有必要在冷却通道中开展热裂解过程研究。基于热裂解反应产物试验结果建立了一步热裂解总包反应,对煤油在冷却槽道中超临界流动换热以及热裂解过程展开了三维数值模拟研究,将固壁的传热和槽道内流动反应进行耦合计算,与三种不同热流密度的实验工况对比。结果表明,在热裂解反应发生以前,两相流模型的温度分布和实验数据吻合得很好,但随着燃油温度升高到450℃,燃料开始发生复杂的化学反应,两者开始出现偏离,温度越高,偏离越大。在引入热裂解反应模型之后,高温区域的温度显著降低,和实验结果吻合。热流密度越大,裂解反应率加剧,煤油反应转化率增大。煤油在弯折冷却通道中温度分布不对称。     

横向槽结构对气膜冷却效果影响的数值研究

基于有限体积法对三维定常不可压缩N-S方程进行离散,采用两层k-ε湍流模型,在吹风比M为0.6,1.2和1.8的情况下,数值研究了6种不同横向槽结构对气膜冷却效果的影响,并与常规圆柱孔进行了比较。结果表明:在任何吹风比下,所有开槽孔的冷却效率均高于圆柱孔;在低吹风比时,6种开槽孔的冷却效率相差不大,随着吹风比的增大,不同开槽孔冷却效率的变化趋势不尽相同;具有中等开槽深度(0.75D)和最大开槽宽度(3D)的开槽孔,气膜冷却效果最佳,而具有最大开槽深度(1D)的开槽孔,气膜冷却效果较差;横向槽的存在使冷气射流在流出气膜后面积突扩,动量降低,气膜出流向主流的垂直穿透能力随之降低,射流本身流动的扩散以及射流在流入横向槽中受到主流对其向下的压制作用较大,反向涡旋对的强度不同程度地受到了抑制,增强了壁面的冷却效果。     

高压涡轮导向器叶片冲击冷却数值研究

针对高压涡轮导向器叶片表面温度过高的情况,采用在叶片内安装导流片并布置射流孔的方式对高温叶片进行冲击冷却,运用带转捩的Transition k-kl-ω模型完成了气动和传热的三维耦合计算分析,研究了改善冲击冷却效果的方法和途径,实现在保持冷却气体流量不变条件下,提高冷却效果、降低材料的性能要求。计算结果表明:在一定孔径范围内,射流孔数和孔径满足(4n-1)D=h的关系式时,沿叶高方向能满足冷却要求;选择在压力面开3列、吸力面开4列射流孔,能满足叶片中弦区域冷却要求,采用劈缝排气方式可以消除尾缘高温现象;导流片与叶片间距zn/D在1.71～2.57变化时,对叶片内外表面平均温度影响不大,而随间距变小,叶片内外表面最高温度降低,最低温度则会升高;随冷却气体温度降低或流量增加,冷却效果会更好。     

利用横向槽改善气膜冷却效率的数值研究

为了获得横向槽对气膜冷却效率的影响规律,采用数值模拟方法分别研究了横向槽出口有无斜坡两种冷却结构形式在不同吹风比条件下的流动过程和冷却效率分布情况,并与常规气膜孔冷却结构形式进行了对比,以揭示横向槽对改善气膜冷却效率的机理。研究表明:在横向槽的作用下,射流向主流的垂直扩散受到抑制,二次流在流出横向槽后能更好的贴覆绝热壁面,提高了气膜冷却效率,并且横向槽出口有斜坡的气膜冷却结构在气膜孔中心线上的冷却效率最好。     

不同横槽结构对气膜冷却效率影响的数值研究

在不同吹风比下,对几种带有横槽的离散孔气膜冷却结构的流动过程和气膜冷却效率进行了数值模拟,分析了在相同槽深的情况下,宽槽、窄槽和斜槽对冷却效率的影响;并将斜槽的模拟结果与异型孔的结果进行了对比.结果表明:在横槽的作用下,由于面积的突扩,使得气膜孔射流向主流的穿透能力有所降低;在横槽下游,二次流能够更好地贴附壁面,气膜冷却效率有一定的提高;在低吹风比下,斜槽冷却效果明显,而在高吹风比下,窄槽冷却效果较明显;斜槽的气膜孔冷却效果优于异型孔;宽槽内出现了横向涡,窄槽内出现了涡锥,斜槽内出现了反向涡对,槽下缘处的固壁对冷却气流的横向扩散有重要作用.      

比较研究多种气膜冷却模型的冷却效果

计算并比较了高性能航空燃气发动机尾喷管扩张调节片采用以下几种气膜冷却结构的冷却效果 :缝槽气膜冷却、离散小孔气膜冷却、缝槽 /小孔复合气膜冷却 ,发展了用单排孔和缝槽气膜的有效温比计算多排孔和缝槽 /小孔复合气膜有效温比的公式 ,计算了考虑喷管内高温燃气辐射和气膜冷却作用下喷管壁面的温度分布 ,为高性能航空燃气发动机高温部件冷却结构的选型提供了有益的参考。     

缝槽平板振动气膜冷却数值仿真研究

为了分析缝槽平板振动气膜冷却传热规律,采用基于Reynolds Averaged Navier-Stokes(RANS)和Detached-Eddy Simulation(DES)的CFD动网格仿真分析方法,研究了不同振动频率、不同振幅、不同吹风比及剪切涡结构振动的绝热壁面有效温比。结果表明:(1)在低频(f=100Hz)下,振动有利于提高换热面绝热壁面有效温比;但在高频(f=10kHz)下,振动降低了换热面绝热壁面有效温比。(2)相比频率,振幅对绝热壁面有效温比影响更大;在中频(f=1kHz)下,振动绝热壁面有效温比小于稳态绝热壁面有效温比;不同吹风比(M=0.7,1.2,1.9)对绝热壁面有效温比影响趋势基本一致。(3)相比基于RANS的振动仿真方法,基于DES的振动仿真方法能更详细地模拟混合层剪切涡结构流场信息,能更好地反映剪切涡结构对壁面换热效果的影响。     

瞬态热冲击缝槽气膜冷却传热实验及仿真研究

为了分析瞬态热冲击过程中气膜冷却传热规律,采用实验研究和CFD仿真分析方法,研究了瞬态热冲击工况下的平板缝槽气膜冷却传热特性。实验中,主流燃气以约60℃/s~100℃/s的增温速率来模拟瞬态热冲击工况,CFD仿真中,采用DES方法模拟瞬态混合层剪切涡结构对气膜冷却传热影响。结果表明:(1)实验结果显示,当吹风比处于临界值以下时,瞬态热冲击过程中,气膜绝热有效温比逐渐下降直至稳态值,对流换热系数存在同样的规律。(2)DES模拟结果显示,混合层摆动位置及剪切涡发展到壁面的位置随着吹风比的增大而向下游移动,使得壁面传热特性主要由剪切涡流决定逐渐转变为由冷却气流决定。(3)DES结果显示由于混合层剪切涡的不稳定性使得气膜绝热有效温比存在较大幅度的波动;相比RANS方法,DES方法预测的平均绝热有效温比与实验结果吻合更好。     

垂直横流通道内槽型截面孔气膜冷却特性数值研究

为了揭示燃气透平动叶内部横流通道对不同截面形状气膜孔的影响机理,采用数值方法对比研究了典型扇形孔和槽型截面孔在垂直横流通道内的气膜冷却特性。四种槽型截面孔包括2种梭型扩张孔(上游壁外凸、下游壁外凸)和2种半圆侧壁矩形扩张孔(计量段截面宽度1.7D,2.0D),气膜孔直径D均为3mm。三种垂直横流通道均为8D×4D矩形通道,分为无肋光滑通道、45°和135°带肋通道,肋间距与孔间距均为8D。数值结果表明:在中高吹风比下,四种槽型截面孔的气膜冷却效果均显著优于扇形孔,光滑通道中差距最大,45°肋通道中差距最小,其中大截面宽度矩形扩张孔的气膜冷却效果在三种横流通道中均最高。由于强的横向扩张,下游壁外凸的梭形扩张孔的气膜冷却效果受横流影响弱,在三种横流通道中的变化幅度最小。四种槽形截面孔的展向平均气膜冷却效果在45°和135°带肋通道中变化均不大,即肋角度对槽形截面孔气膜冷却效果影响较小。四种槽型截面孔中高吹风比下的出流系数在无肋通道中均高于扇形孔,在带肋通道中五种孔型的出流系数差别很小。     

等离子体气动激励复合横向槽结构提高气膜冷却效率的数值研究

基于横向槽结构和等离子体气动激励的新型流场调节方法,采用RNG k-ε湍流模型,数值计算分析了常规圆形孔、带横向槽以及带等离子体气动激励等不同气膜冷却结构的流场特性、温度场特性和冷却效率,揭示了等离子体激励器复合横向槽新型气膜冷却结构的冷却机理及规律。结果表明:圆形孔气膜冷却结构,气膜孔出流与主流混合强烈,在流场中形成了肾形涡对,冷流被逐渐抬离壁面,热流被卷吸到冷流下方,壁面的冷却效果最差;冷流经过等离子体激励器的气动激励后,产生了反肾形涡对,使得肾形涡对的平均涡量减小了42.64%,同时诱导冷流贴壁流动;横向槽的存在使得气膜孔出流在展向分布更宽,更贴近壁面,肾形涡对的强度较弱;在横向槽和等离子体气动激励的共同作用下,反肾形涡对的强度最大,使冷流的展向分布区域更大并贴近壁面流动。与圆形孔气膜冷却结构相比,在吹风比M=1.0下,带等离子体激励器、带横向槽和"等离子体激励器+横向槽"等三种气膜冷却结构的全局平均气膜冷却效率分别提高了181.6%,73.5%和200.5%。     

发散冷却与槽缝射流对涡轮静叶端壁气热性能影响的研究

燃烧室壁面发散冷却气流影响下游涡轮静叶端壁的气热性能,论文采用数值求解三维Reynolds-Averaged Navier-Stokes（RANS）方程和SST湍流模型的方法研究了燃烧室壁面发散冷却和前缘槽缝射流作用下的涡轮静叶端壁流动结构和传热冷却特性。分析了3种发散冷却流量质量比和3种前缘槽缝射流质量流量比下的涡轮静叶端壁绝热有效度、静叶叶片泛冷却特性和叶栅流动结构。研究表明：在3种发散冷却气质量比工况下,槽缝射流质量流量比由1.0%增加至1.5%时,整体绝热冷却有效度可至少提升60%,且叶片前缘与压力面角区也得到充分冷却;发散冷却质量流量比增加会改善叶栅出口下游部分端壁冷却效果。上游发散孔流量大于下游孔且槽缝吸力面侧局部质量流量比高于滞止点附近位置,发散冷却与槽缝射流流量增加能够减小冷却气流量局部差异。发散冷却与槽缝射流流量增加会削弱马蹄涡,增强空腔涡,并对二次涡产生影响,从而改变冷却气流覆盖特性。静叶端壁气热性能的研究需要考虑上游燃烧室壁面发散冷却的影响,论文的工作为涡轮静叶端壁冷却性能分析提供了参考。     

圆角横槽结构对气膜冷却效率影响的实验研究

为了研究圆角横槽结构对气膜冷却效率的影响,选取槽深、槽宽、圆角半径、吹风比四个影响因素进行正交实验,采用压力敏感漆测试技术对圆孔冷却结构和圆角横槽结构的气膜冷却效率进行测试。结果表明：在低吹风(BR=0.5)、中吹风(BR=1)比、高吹风(BR=1.5)比下,除Case3外,圆角横槽的面平均气膜冷却效率均高于单一圆孔。圆角横槽的面平均气膜冷却效率相对于圆孔冷却结构最高可以提高127％,Case1-Case9中,优化组合的结构参数为：槽宽2.4D,槽深0.6D,圆角半径0.9D,优化组合面平均气膜冷却效率相对于气膜冷却效率最低的Case8可以提高177％。在槽宽、圆角半径、槽深、吹风比四个影响因素中,吹风比对圆角槽气膜冷却效率影响程度最大,其次分别是槽深、槽宽、圆角半径。     

基于伴随非等温射流理论的缝槽气膜冷却模型

在伴随非等温射流基础上发展了一种适用于缝槽气膜冷却绝热温比预估的数学模型.通过合理假设推导出二维壁面射流混合层核心温度分布规律,将其作为气膜绝热壁温,并考虑缝槽几何特征参数和气膜吹风比对冷却效率的影响,得到绝热温比计算公式.用试验数据对该预估模型进行拟合分析,得到了与试验数据拟合精度在±8%以内的半经验预估模型,证明该模型的可行性和应用潜力,并需要更多的试验数据对其进行验证和改进.      

扫掠冲击-气膜冷却结构的气动传热特性数值研究

为了揭示“扫掠冲击-气膜”冷却结构的换热机理,采用气热耦合方法和SST k-ω湍流模型,对比分析了吹风比为1, 2, 3, 4和气膜孔角度为30°, 45°, 55°, 65°等条件下“直接冲击-气膜”组合方式和“扫掠冲击-气膜”组合方式在平板模型上的气动传热特性。结果表明,流体激振器的扫掠频率、冲击靶面上的Nu数随吹风比增大而增大,并且几乎不受气膜孔角度影响。两种组合方式的总压损失系数和综合冷却效率随吹风比增大而增大,并且随气膜孔角度的增大而略微减小。尽管在使用相同冷气流量时“扫掠冲击-气膜”组合方式的冷气进口静压较高,但是其具有冲击靶面上Nu数分布均匀、综合冷却效率更高且分布面积更大的优势。     

应用各向异性湍流模型对气膜冷却的数值研究

应用引入各向异性系数的k-w湍流模型和标准k-ε模型,对平板气膜冷却经典实验进行了数值研究,分析了各向异性系数的引入对气膜孔下游流场与温度场的影响机理,探讨了该系数的适用性问题.研究表明:①展向各向异性系数的引入,增加了流体在展向的湍流脉动,强化了气膜冷气沿展向的扩散;②各向异性模型的计算结果在低吹风比(M=0.5)的工况下与实验值符合得较好;③各向异性系数在气膜脱离壁面与主流掺混的区域适用性较差.      

振动环境下喷雾冷却的临界热流密度模型

针对振动环境对喷雾冷却临界热流密度(CHF)的影响问题,基于静止环境喷雾冷却CHF模型,定义并引入内切偏离因子,建立振动环境下喷雾冷却CHF点基模型,对比3种不同工作模式的影响。结果表明:工作模式1周期平均CHF相对其他两种模式分别提高0.98%和1.17%。该模式下,周期内CHF的变化呈现双峰结构,且后半周期最低热流密度高于前半周期最低热流密度,周期内最小CHF较最大CHF下降3.02%。振动幅度越大,CHF下降越大,1.0mm振幅相对0.2mm振幅条件下的周期平均CHF下降1.74%。分析喷雾锥角的影响,55.8°、90°全位角喷雾锥角相对30°喷雾锥角,平均CHF分别下降4.83%及16.21%。大锥角下,后半周期的峰谷值相较周期内最大CHF下降减小。喷雾锥角小的喷嘴能够减小表面振动对喷雾冷却临界热流密度的恶化。      

基于深度学习的单排孔气膜冷却性能预测

气膜冷却是增强涡轮叶片的高温耐受力,间接提高涡轮进口温度的有效手段之一。目前气膜冷却孔布局的主流设计方法是先通过计算流体力学（CFD）筛选和优化初始方案,再进行模型实验。这种方法设计周期长,时间成本高。传统上用于快速评估冷却效率的经验公式法存在函数形式复杂,拟合精度有限,参数适用范围较窄等问题。因此基于深度学习原理,设计了一种基于多层感知器模型（MLP）的深度神经网络,建立了绝热气膜冷却效率的预测模型。使用CFD数据训练网络,结果表明：深度学习模型在训练集和验证集上具有大于0.95的拟合度,在测试集上具有大于0.99的拟合度,可以较好地识别数据集中的抽象特征,具有较高的精度和较好的泛化能力。此外,在满足精度要求的前提下,一个完成训练的深度学习模型能够有效减少预测耗时,提高预测效率,在快速评估冷却布局性能方面具有较好的应用前景。