大小孔交替排列对气膜冷却效率的影响

采用数值模拟方法研究了大小气膜孔交替排列(均匀排列的圆柱形单孔两侧分别开设一个平行的小孔)情况下的流动和换热,并与常规的圆柱形单孔结构进行对比,分析大小气膜孔交替排列提高冷效的机理,研究大小孔的孔径比对气膜冷却效果的影响规律.结果发现:在圆柱形单孔两侧分别设置一个平行的辅助小孔,大小孔冷气射流的肾形涡相互干涉,导致主气膜孔下游的肾形涡的尺度和强度与圆柱形单孔相比均有明显降低,气膜冷却效果明显改善.相同冷气量下,小孔孔径越大,分配的冷气流量越大,对主孔冷气射流的干涉作用越强,气膜冷却效果改善越明显;当小孔孔径d2=4mm时,气膜冷却结构类似常规的离散圆柱形气膜孔,气膜冷却效果开始下降.     

旋转状态下气膜冷却模型的数值模拟

通过对带有90°倾角圆柱形交错孔排的涡轮叶片模型进行数值模拟,得到了不同主流雷诺数、旋转数和吹风比情况下前缘面与后缘面侧的气膜冷却流动与换热特性及各气膜孔流量系数的分配规律.结果表明,冷气受到离心力与哥氏力的共同作用向高半径处发生偏转,导致壁面冷却效率降低;雷诺数的增大会削弱气膜冷却效果,高吹风比则不利于气膜孔下游区域的冷却.各气膜孔的流量系数随吹风比的增大而增大,随旋转数的提高而减小.在后缘面侧,相同工况下各气膜孔的流量系数明显高于前缘面侧对应气膜孔的值.      

旋转状态下曲率对气膜与主流掺混区域的影响

气膜冷却是应用于航空燃气轮机上的冷却技术,旋转及表面曲率是影响气膜与 主流掺混区域的重要因素,通过数值计算方法对旋转状态下曲率对气膜与主流掺混区域的影 响进行了研究,湍流模型选取了k-ω模型.增加旋转速度,会引起吸力面气膜的分离; 固定转速,降低表面曲率半径,压力面气膜发生分离,吸力面气膜冷却效果得到改善.当动 量流量比在小于1的范围内变化时,旋转只改变压力面气膜与主流掺混区域的分布,而对吸 力面没有影响.      

带气膜出流叶片前腔内表面冲击换热数值模拟

采用数值模拟方法对不同雷诺数下静止状态涡轮叶片前腔带气膜孔出流的冲击流动与换热特性进行了研究.分析了叶片前缘冲击流动产生的不同涡团对其内表面换热的作用机理.计算结果表明:相同雷诺数下,叶片前缘内表面气膜孔附近的换热强化比高于通道的平均值.随着雷诺数增加,换热强化比有所提高.冲击流动与通道流动耦合而形成的波浪形涡区,极大地扩展了冲击强化换热区域.气膜孔出流的抽吸作用对冲击流产生影响,进一步扩大了冷却空气在前缘内表面的覆盖范围.气膜腔叶根处纵向截面的涡团阻碍了冷气向叶根方向扩展,降低了冷却效率;而横向截面的涡团则促进冷气与壁面热气的掺混,提升了换热效果.      

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。      

旋转对气膜冷却覆盖区域的影响

气膜冷却是应用于航空发动机上的冷却技术,旋转是影响气膜与主流掺混区域的重要因素.在旋转气膜外换热实验台上进行的平板气膜冷却实验对此问题进行了研究.与静止叶片相比,气膜出流在旋转叶片表面会发生展向偏离.在压力面,转速增加,气膜出流先向低旋转半径方向偏转,后向高旋转半径方向偏转;在吸力面,气膜出流向高旋转半径方向偏转.动量流量比固定,当密度比增加时,压力面气膜出流轨迹向低旋转半径方向偏转加剧;吸力面气膜出流轨迹向高旋转半径方向的偏转也增大.      

旋转状态下温度比对气膜与主流掺混区域的影响

为了研究在旋转状态下温度比对气膜与主流掺混区域的影响,采用了数值模拟的方法对此进行了分析.结果表明:与静止状态相比,气膜出流在旋转状态下会发生偏转.当温度比固定,随着转速的增加,吸力面上气膜覆盖区域向高旋转半径方向偏转;但在压力面上,覆盖区域向低旋转半径方向偏转.在旋转速度固定时,随着冷却气膜和燃气温度比的增加,气膜覆盖区域向高旋转半径方向偏转.旋转同时会降低气膜冷却效率,而温度比对此的影响却很小.      

冲击与气膜的组合形式对冷却效果的影响

通过数值模拟,研究了涡轮叶片弦中区所采用的新型双层腔冷却结构的冷却特性,系统分析了冲击与气膜的组合冷却流动换热的机理,讨论了冲击孔与气膜孔的组合形式对组合冷却效果的影响.计算参数范围是:吹风比M=0.6~2.0,冷气进口雷诺数Re=2000~5000.计算结果表明:①气膜孔与冲击孔的位置及其排列方式对双层腔结构的冷却效果的影响是非常明显的,且存在一个最佳的组合冷却形式;②在狭小的封闭空间内,冲击靶面的努塞尔数分布呈明显的双峰结构,冲击滞止点处于两个峰值之间的峰谷.      

曲率对旋转态气膜冷却效率影响的数值模拟

通过对旋转状态下曲率叶片模型上气膜冷却现象的流动和换热进行数值模拟,得到了不同主流雷诺数、吹风比和旋转数情况下吸力面和压力面上的冷却效率分布.计算选用κ-ω和SST(Shear-Stress Transport)湍流模型,主流雷诺数Re=3 198.4~6 716.6,吹风比M=0.2~1.2,旋转数Rt=0~0.015 9.结果表明:旋转数的增大导致气膜孔下游中心区域的冷却效率下降,但使压力面整场的冷却效果略有提高;吹风比的增大使得吸力面和压力面上的冷却效率逐渐降低,主流雷诺数的变化对壁面整体冷却效果则影响不大.此外,相同工况下吸力面上的冷却效率要高于压力面上的对应值.     

旋转数对凸表面气膜冷却影响的实验分析

采用圆弧模型,测量了旋转状态下凸表面气膜冷却效率 η _ad和换热系数 h _f的分布规律,重点研究旋转数 Rt=ωD/u_∞ 对气膜冷却的影响.叶片表面温度采用先进的液晶测温技术进行测量.结果表明:①在旋转离心力和哥氏力的共同作用下,气膜轨迹向高半径方向发生了明显的偏移,并且转速越高偏移角度越大;②旋转使得气膜冷却效率降低,换热系数上升;③在旋转状态下,气膜发生了分离再附壁的现象.     

动载对管内汽水两相流流阻、空隙率和传热的影响

利用旋转平台对动载作用下单相水和沸腾两相流流动及传热特性进行了实验研究.通过改变旋转速度、入口温度、液体流量等参数,获得了静止和旋转2种状态下的单相水及沸腾两相流实验数据.对旋转状态下的管内两相流型进行可视化拍摄,得到了动载作用下的两相流型图.结果表明,过载方向与流动方向相反时,过载越大,管内压力和流阻越大,液相流量、空隙率和流体得热量越小.可见,动载阻碍流体向前流动,强化了管外散热,削弱了管内流体的相变换热能力.     

旋转光滑U形通道内流动和换热的数值模拟

数值模拟了旋转状态下涡轮叶片U形内冷通道湍流流场和温度场的分布,分析了流阻和换热的变化规律.结果表明,旋转状态下哥氏力、离心力和浮升力的共同作用使得流场发生了复杂的变化.旋转强化了换热,减小了流阻.但旋转使得换热在各个面换热能力分布不均,增加了温度梯度.      

旋转蛇形通道内换热的非稳态实验

在旋转状态下,研究了涡轮内冷蛇形通道的非稳态换热特性.实验主要针对旋转状态下,通道内流量的变化和系统旋转速度的变化来进行的.结果表明:对于旋转通道的非稳态过程,换热系数的变化呈波动变化过程,且主要发生在实验参数变化的阶段.加速旋转时,角加速度力的作用会加强进气通道前缘面的换热,而降低后缘面的;减速旋转时,情况相反.而且,角加速度力的作用效果容易在旋转开始变化的时刻显现.当旋转速度在2个值之间往复时,换热系数变化呈现滞后环状,旋转速度越高滞后环越大.     

旋转状态下涡轮叶片压力面气膜冷却特性

通过1.5级涡轮叶片旋转气膜冷却实验,揭示了整级涡轮叶片在旋转状态下的气膜冷却规律.实验中,主流雷诺数为8×104,旋转数分别为2.092,2.324和2.448,吹风比从0.3到3.0变化,冷却工质分别采用空气和二氧化碳,对应射流主流密度比分别为1.03和1.57.叶片表面喷有宽幅液晶,通过高精度CCD相机得到表面温度场.结果表明:压力面上,气膜冷却效率随吹风比的增大而升高,随旋转数的增大而降低;气膜轨迹向高半径方向偏转,偏转程度随旋转数的增大而加剧;提高射流主流密度比,有利于提高冷却效率.     

应用修正湍流模型对旋转通道内换热的模拟

针对旋转光滑矩形通道分别应用针对旋转状态修正的 k-ε、标准k-ω以及提出的针对旋转状态修正的k-ω湍流模型进行流动和换热的数值模拟,通过与实验结论的对比,讨论了采用不同湍流模型对计算结果的影响.计算工况为旋转数Ro=0.24,流体进口雷诺数Re=25000.计算结果表明:采用所提出的针对旋转状态修正的k-ω湍流模型的计算结果要比采用针对旋转状态修正的k-ε以及标准k-ω湍流模型的计算结果更接近实验结论.     

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.     

旋转状态下涡轮叶片前缘的流动与换热

用数值模拟的方法对旋转状态下涡轮叶片前缘冷却结构进行了数值研究,该结构由进气腔、叶片尾缘块和前缘块构成,对此结构不同的旋转速度情况进行了计算,根据计算结果分析了旋转对涡轮叶片前缘流动与换热的影响.计算结果表明,旋转状态下带气膜出流的冲击流动中,前尾缘冲击面的换热随着转速的增加而减小,且尾缘冲击面的换热比前缘冲击面的换热要好;同时前尾缘冲击面换热的差别随着转速的增加将越来越小.     

高旋转数下光滑回转通道的换热特性

通过提高回转通道内气体压力到500 kPa以上,显著扩展了实验参数范围.实验雷诺数Re和旋转数Ro范围分别为10 000~70 000和0~2.08,完全匹配了真实发动机的Re和Ro.在此基础上实验研究了高旋转数下方截面光滑U型通道的换热特性.结果表明,在高旋转数下,旋转效应对通道进口和转弯段局部换热的影响比进口效应和弯道效应显著;第1通道后缘面换热随旋转数的增大而增强,而中下游前缘面在超过临界旋转数后换热增强;高旋转数下第2通道下游后缘面的换热强于前缘面.