紧凑凸肋通道对尾缘劈缝气膜冷却特性的影响

以稳态压敏漆技术和瞬态热色液晶技术为测量方法,实验研究了尾缘区域凸肋内冷供气通道对外部气膜冷却特性的影响,详细对比分析了直肋间距和吹风比对尾缘劈缝扩张表面的气膜冷却效率、对流换热系数和劈缝流量系数的影响,并引入热流密度比来衡量对比紧凑凸肋通道对劈缝表面的综合冷却效率增强性能。实验结果表明：劈缝流量系数受吹风比的影响较小,随肋间距的增大而减小;凸肋通道明显加强了射流的混乱程度,导致其与主流掺混程度加剧,降低了劈缝表面远下游区域的气膜冷却效率,小肋间距结构气膜冷却效率略高于大肋间距结构,随着吹风比的增大,凸肋通道结构与基准结构的气膜冷却效率差异减小;凸肋通道结构可提升基准结构缝出口区域的低换热性能,尤其对于小肋间距结构,大吹风比时,缝出口的换热核心区沿流向延伸效果增强;具有小肋间距的凸肋通道对尾缘劈缝的综合冷却性能有促进作用,其中肋间距p/h=4结构可提升15%～20%的综合冷却性能,而大肋间距结构明显降低了基准结构的综合冷却性能。     

V肋对尾缘劈缝气膜冷却特性的影响

采用压敏漆技术和瞬态热色液晶技术研究了V肋对尾缘劈缝表面气膜冷却特性的影响,获得了不同吹风比及V肋宽度下2种不同尾缘劈缝表面形状的气膜冷却效率和对流换热系数分布的试验数据,并采用净热流密度值评估对比了带有V肋的劈缝结构的综合冷却性能。试验结果表明：V肋的加入对未扩张型劈缝表面的气膜覆盖产生了不利影响,在小吹风比工况下,V肋宽度对面积平均气膜冷却效率无明显影响,相同V肋宽度结构下,未扩张型劈缝表面的气膜冷却效率始终高于扩张型劈缝表面的;V肋宽度对劈缝表面换热强度的影响不明显,V肋在未扩张劈缝表面结构上展现出的强换热性优于扩张型劈缝表面结构;带有V肋的尾缘劈缝冷却结构可有效增大6.9%~26.6%的净热流密度值,V肋宽度对其无明显影响,小吹风比工况下宜将V肋应用于未扩张的劈缝表面结构,大吹风比工况下无需考虑劈缝表面形状。     

带前缘冲击复杂叶片内冷通道换热特性实验

采用瞬态热色液晶方法对不同雷诺数下静止状态涡轮工作叶片带前缘冲击复杂蛇形通道的换热特性进行了考察,得到了不同位置吸、压力面的表面传热系数分布.实验结果表明:相同雷诺数下,叶片通道内表面带肋区域两肋间的局部换热强于光滑区域,相邻两肋间的传热系数沿流动方向呈单峰分布.随着雷诺数增加,内表面传热系数提高,在弯头下游的光滑区域离心作用加强,带来该处局部换热分布不均匀,而弯头下游肋的出现可以削弱这种效果.此外,通道的收缩扩张导致主流速度的变化也给局部换热的数值和分布带来了影响.      

V型肋片直冷却通道内流动与传热的数值研究

采用结构化六面体网格和k-ε湍流模型求解三维N-S方程,对内置不同肋间距与肋高比V型扰流肋片的直冷却通道,在入口雷诺数为20 000时的流动与换热特性进行数值模拟,分析了不同肋间距与肋高比对肋间壁面换热效果和流动损失的影响,并对肋间距与肋高比进行了全局寻优。结果表明,带肋直冷却通道的整体换热效果和综合冷却效率,分别和肋间距与肋高比呈近似函数关系,肋间距与肋高比为7.93时通道整体换热效果最好,为5.2时通道综合冷却效率最佳。     

内冷通道带肋和出流孔壁面的换热研究

采用热色液晶瞬态测量技术对带有肋和单排出流孔的内流通道进行了换热实验研究.实验在主流雷诺数Re为20000～80000和出流比Br为0.30～0.60情况下,测量了通道内全表面换热系数分布,重点分析了主流雷诺数和出流比对换热的影响.实验结果显示:①出流孔附近区域的换热得到强化;肋前的换热系数大于肋后的换热系数;②出流比和雷诺数的改变对全表面的换热分布规律影响不大;③在本实验的参数范围下,出流比的增加对全表面的换热系数和换热增强程度基本没什么影响;雷诺数的增加使得全表面的换热系数增大,换热增强程度减弱.      

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。      

涡轮叶片尾缘冷却特性数值研究

为了研究不同叶片尾缘结构对气膜冷却效果的影响规律,设计了三种尾缘结构,采用数值模拟的方法分别对其冷却效果进行了研究。研究结果表明:(1)三种尾缘结构的冷却效率沿壁面的分布有很大差异,针对模型Ⅰ,在小吹风比时,冷却效率沿尾缘壁面逐渐减小;而在大吹风比时,冷却效率呈现逐渐升高的趋势;(2)模型Ⅱ和模型Ⅲ的冷却效率沿壁面均呈现逐渐降低的趋势,但二者降低的规律又不相同;(3)在相同壁面位置,模型Ⅲ的冷却效率最高,模型Ⅰ的冷却效率最低,因此可以认为,模型Ⅲ所示的尾缘结构更有利于叶片尾缘的冷却。     

带90°肋和双排出流孔通道换热特性的实验

采用瞬态液晶测试技术测量了带90°肋和双排出流孔通道有出流壁面的换热分布,研究了出流孔与肋的相对位置、通道雷诺数和出流比对换热的影响.研究表明:肋间换热分布受肋前壁面气流分离,肋间气流再附着和出流的共同作用影响;出流孔位置的改变不会对气流再附着的位置产生明显影响;出流孔靠近上游肋时,回流区的换热得到改善,再附着区的换热被出流作用加强,换热特性变好;平均换热强化效果随雷诺数增大而减小,随出流比增大呈增大趋势,但增大幅度较小.      

涡轮叶片通道内部V型间断肋的传热特性研究

通过模拟仿真的方法研究了涡轮叶片通道内部V型间断肋的传热特性。主要探究了各结构参数（间断位置,分离肋长度,分离肋后置距离）对通道的传热性能影响。结果表明：相对于传统的扰流肋结构（直肋,60°斜肋,60°V型肋）,V型间断肋在壁面平均相对努塞尔数,综合传热系数以及温度分布均匀性上更具优势。通过改变间断参数,能大幅提高V型间断肋的综合传热系数。在研究的参数范围内,当间断位置为2.5 mm,分离肋长度为10.0 mm,分离肋后置距离为9.6 mm时,通道具有最佳的传热性能。在雷诺数为30 000下,与带有直肋的通道相比,优化后的V型间断肋的平均努塞尔数提高了35.75%,综合传热系数上升了28.95%。     

旋转带肋回转通道换热实验研究

为深入掌握高压涡轮叶片带肋回转通道在旋转状态下的换热分布,建立了旋转内通道实验系统,利用瞬态液晶测量方法研究了动叶回转内通道模型的换热机理,比较了三维数值模拟和实验的换热结果。通道入口雷诺数为5000~17000,旋转数为0~0.09,旋转半径与水力直径之比为46.4。结果表明:不同雷诺数下回转内通道的局部换热系数分布相似,局部、平均换热系数均随雷诺数增加而增大;沿程展向平均换热系数呈多波峰状分布,肋的扰动强化换热沿流向逐渐减弱;径向出流通道的努赛尔数随旋转数增加明显增大,径向入流通道的努赛尔数随旋转数的增加略有减小;哥氏力使转弯下游通道的局部换热系数改变,肋间的高换热区域由前肋的背风面附近向两肋之间偏移。     

凹槽对涡轮叶片前缘换热特性影响的实验研究

为了探究带有凹槽造型的涡轮叶片前缘结构的换热特性,采用瞬态热色液晶技术研究了凹槽对涡轮叶片前缘外表面换热系数的影响,获得了不同主流雷诺数以及湍流度下涡轮叶片原始前缘结构及带两种不同深度凹槽的前缘结构外表面的换热系数分布数据,并采用努塞尔数评估对比了三种结构下的换热特性。实验结果表明：原始前缘结构存在高换热系数区,随着湍流度的增大,高换热核心区显著增大;由于凹槽对滞止区域的流动产生了影响,带凹槽的前缘结构在不同工况下均表现出将原始结构高换热核心区分割为凹槽两侧突出边缘的高换热区和槽内低换热区的分布特征;凹槽可以显著降低前缘表面的换热强度,带浅凹槽的前缘结构在前缘表面的面平均努塞尔数相比原始前缘结构降低约7.9%~14.5%,带深凹槽的前缘结构相比原始前缘结构降低约9.1%~20.9%;与Reg=200,000相比,当Reg=150,000时,带凹槽的前缘结构相比原始结构的低换热优势更强。     

涡轮叶片前缘旋流-气膜复合冷却内部流动传热特征实验和数值模拟

为了提高涡轮叶片前缘的冷却效率,本研究提出了一种偏置冲击孔的旋流-气膜冷却结构。在20000～50000雷诺数范围内,对冲击孔居中和偏置分别开展实验研究和数值模拟,得到了两种结构的内部传热、流阻和流场特性。实验通过瞬态液晶热像技术获得前缘内表面的详细努塞尔数分布,并结合数值模拟的结果分析了流场特征,对强化换热的机理做出解释。实验结果表明：叶片前缘内部旋流使总体平均努塞尔数提高4.0%~9.4%,同时压力损失降低5.6%~6.4%。数值模拟结果表明,偏置冲击孔利用叶片前缘曲率较大的结构特性产生了强烈的旋流,使高换热区的面积显著增加,改善了内部换热的均匀性。     

带直肋及气膜出流的回转通道内冷气流动特性

将航空发动机高压涡轮叶片内冷通道进行简化,以实验方法研究了带90°直肋及气膜出流的变截面回转通道内冷气的流动特性。根据肋和气膜孔的结构特点,将通道划分为若干个特征单元。结果表明:与无气膜出流时相比,通道出口段存在气膜出流时其有效压力分布发生了较大的变化,使得整个出口通道的有效压力下降,在气膜孔附近压力下降更为明显。在其他条件不变时,与单元内其他位置的气膜孔相比肋后气膜孔出流量较大。      

涡轮叶片内部通道流动换热算法改进

在使用工程计算方法对涡轮叶片温度场进行计算时,往往将叶片内流通道简化成光滑或带肋的换热管元件,容易忽略 各内流管段之间的影响,造成计算得到的叶片3维温度场与真实温度场存在较大差异。针对上述问题,为了提高对涡轮叶片3维 温度场模拟的准确度,对涡轮叶片内流通道的换热流动算法进行改进。考虑涡轮内部蜿蜒通道中弯转区和弯转效应2种因素对 涡轮内部流动换热的影响,使用试验得到的数据对2种因素影响区域的换热情况进行修正,利用修正后的算法对某工作叶片进行 温度场计算,并对修正前后叶片温度场进行了对比分析。结果表明：采用修正后算法得到的蜿蜒通道内的气体温度相较于修正前 算法得到的沿程升高更多,修正后算法求得的叶片整体平均温度降低,最大温差增大。     

涡轮叶片内部微小V肋-凹陷涡复合冷却流动与传热数值模拟

为强化航空发动机涡轮叶片内冷通道传热性能,针对带有微小V肋-凹陷涡高效复合冷却结构矩形通道,采用Abe Kondoh Nagano （AKN） k-ε湍流模型数值模拟研究了肋高与凹陷深度组合对流动传热特性的影响机理。结果表明,当凹陷深度一定,复合结构的强化换热效果随肋高增加而增加,3mm肋高复合结构的传热相比纯凹陷提高了87.1%;当肋高一定,传热随凹陷深度增加先增强后基本保持不变,6mm深凹陷复合结构相比纯V肋提高了52.8%。通过在凹陷上游布置V肋,增强了越过V肋冲入凹陷内流体的湍动能,从而使凹陷前部回流区减小;同时来自微小V肋的涡流与凹陷内部的涡流相互作用,增强了整个流场的动量和热量输运,使通道换热均匀,并相较纯凹陷或纯V肋结构均有显著提升。     

八面体桁架结构在内冷通道中的流动传热特性研究

为探究八面体桁架结构在航空发动机热端部件内冷通道中的可应用性,掌握八面体桁架结构的流动传热特性,本文采用理论推导和三维数值模拟的方法,对八面体桁架单体的有效导热系数以及八面体桁架阵列结构的流动结构和传热性能开展了研究。首先,针对八面体桁架单体结构,推导出了考虑节点效应的有效导热系数关系式,并通过与数值计算结果对比,验证了其有效性。其次,针对八面体桁架阵列结构,开展了整体结构的三维数值计算,分析了其内部通道的流动结构和温度分布,获得了不同结构的流动阻力和对流传热系数随雷诺数的变化规律。最后,考虑到结构的综合传热性能,本文针对不同孔隙率的八面体桁架阵列结构,进行了基于相同泵功率下努塞尔数的对比。根据计算结果,本文给出了获得最佳传热性能的无量纲直径范围0.07~0.08,相应的孔隙率变化范围 0.872~0.841。分析其原因,由于随着结构孔隙率的减小,即固体率的增加,对流传热强度不断提高,然而,当孔隙率减小到84.1%以下时,由于内通道中流动阻力骤然增大,导致传热效率降低。将八面体桁架结构应用于航空发动机热端部件内冷通道中,是同时出于高效冷却和力学性能的考虑,本文掌握八面体桁架阵列结构的流动传热特性,为其在实际工程中的应用提供了理论支撑。     

旋转对带斜肋的内流通道冷却和换热的影响

以带45°斜肋的燃气轮机内流方形通道为对象,采用数值模拟的方法对其内部的流场和温度场进行了研究,通过对通道在不同转速下的流场和温度场的计算结果对比可知:旋转状态下,通道内各面换热的变化是和通道内流场的变化密切相关的,其中由于哥氏力的不均匀分布,中间大四周小,使得二次流旋涡偏向尾缘;转速越高,温度梯度越大;同时,随着旋转数的增加努塞尔数增大,换热效果增强,并且通道的前表面要比后表面换热效果好。     

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。     

延伸冲击孔冲击冷却流动与换热特性的数值研究

采用数值模拟方法研究了延伸冲击孔冲击冷却系统的冷却特性,分析了3个冲击雷诺数和5个冲击孔延伸长度对冲击腔内流动与换热特性的影响,给出了靶面努塞尔数分布、靶面压力分布、中心截面流速与综合换热性能的变化。结果表明：延伸冲击孔可以有效地防止横流对冲击射流的偏转作用,同时使射流出口更加贴近冲击靶面壁面,冲击速度更高,可以明显提高靶面的换热系数,并使整个靶面上的换热系数分布也更加均匀。冲击冷却的冷却性能随着冲击孔延伸长度的增加而增加,相较于传统冲击冷却（baseline）,在L/d=2.5时靶面平均努塞尔数提升达15%以上,但压力损失也相对较高;对比不同延伸长度冲击孔的综合换热性能,发现存在最佳的L/d取值范围使冲击冷却系统获得最佳的综合冷却性能。在本研究范围内,最佳的L/d= 2.5。