高旋转数下45°斜肋回转通道平均换热特性研究

为了更加深入地研究涡轮叶片回转通道的换热特性,研究了高旋转数下带45°斜肋回转通道的平均换热特性。在通道进口雷诺数从10000~70000,旋转数从0~2.07的范围内,实验研究了旋转状态下,方形截面带45°斜肋U型通道径向出流与径向入流两个流程四个侧面在0°,22.5°和45°三个安装角下的平均换热系数。研究结果表明:45°斜肋增强了通道换热,减弱了旋转对换热的影响;由于浮升力作用在肋间二次流上,导致通道内外侧出现临界回流现象;转角减弱了第一通道旋转对换热的影响,增强了第二通道旋转对换热的影响,其影响在低旋转数下并不显著,在高旋转数下开始变得明显。     

旋转通道内流阻特性实验的实现与验证

针对涡轮叶片的蛇形内冷通道内流阻特性的研究,在北京航空航天大学航空发动机气动热力国家级重点实验室的旋转涡轮叶片内冷通道换热实验台上构建了旋转工况的测压系统.该测压系统具有高精度、多路选通、高压高旋转数等特点.在通道进口雷诺数从20000~70000,旋转数从0~1.025的范围内,实验研究了旋转状态下,冷态与热态流场下方形截面光滑U形通道流阻系数.实验结果与国外同类实验对比验证了构建的实验系统的可靠性和优越性.实验结果表明:低雷诺数下静止工况的流阻随雷诺数增大而增大,并在雷诺数增大到一定值后转而减小.冷态下流阻随旋转数增大而增大,低旋转数下旋转对热态流阻影响并不显著,高旋转数下热态流阻随旋转数增大而显著增大.      

高旋转数下带肋回转通道的换热特性

为匹配真实发动机转子叶片的工作条件,将实验回转通道气体压力提高到500kPa以上,使雷诺数和旋转数范围分别扩展到10000~70000和0~2.08.在此基础上通过实验方法研究了高旋转数下带45°倾角斜肋的方形截面回转通道的换热特性.结果表明:回转通道的第1通道前缘面传热系数随旋转数的增大先减小,在达到临界旋转数后换热随旋转数增大而增强;低旋转数下,回转通道的第2通道前后缘面换热差异较小,随着旋转数的增大,前缘面换热始终强于后缘面,这种换热特性与光滑通道完全不同.      

高旋转数下直肋U型方通道的换热特性研究

通过提高U型通道气体压力到500kPa以上,将实验雷诺数Re和旋转数Ro范围分别扩展到10000～70000和0～2.0,从而匹配真实发动机转子叶片的工作条件。在此基础上实验研究了高旋转数下带直肋的、方形截面的U型通道的换热特性。研究结果表明:第一通道前缘面的努塞尔数比随旋转数的增大先下降后增强,该临界旋转数为定值Roc=0.26;随着旋转数的增大,第二通道前缘面的努塞尔数比一直高于后缘面,与光滑通道中的换热规律不同;随着旋转数的增大,第二通道内外侧面努塞尔数比的差异逐渐减小,在临近出口处几乎没有差异,与光滑通道相比正好相反。     

高旋转数下不同通道转角带肋回转通道的换热特性

提高回转通道气体压力,将实验雷诺数和旋转数范围分别扩展到10000～70000和0～2.08,在此基础上实验研究了高旋转数下通道转角为0°,22.5°,45°的带45°倾角斜肋的方形截面回转通道的换热特性.结果表明:在第1通道,通道转角对后缘面换热的影响整体上强于前缘面,尤其是通道入口段位置;在第2通道,通道转角对换热的影响比较小.对于区域平均换热分布,通道转角为45°的通道平均换热最强,通道转角为22.5°的通道次之,通道转角为0°的通道平均换热在3个通道转角中最弱.      

高旋转数下不同通道转角梯形带肋回转通道的换热特性

为研究截面形状和旋转效应对高压涡轮动叶内部冷却通道换热的影响,对雷诺数为10000～50000,旋转数为0~209,通道转角为0°、225°、45°的带直肋双流程梯形截面通道换热特性进行了实验研究。结果表明:静止状态下,在第一通道,梯形通道后缘换热强于前缘;在第二通道,前、后缘换热区别不大,后缘的换热略强于前缘。旋转状态下,对0°通道转角,随旋转数的增大,第一通道的后缘面换热仍强于前缘面和外侧面,且差异更明显;第二通道前缘换热相对后缘增强。在较高旋转数（旋转数大于1）时,0°通道转角工况的换热最强,45°转角最弱。      

高旋转数下大宽高比矩形通道换热特性研究

针对大宽高比矩形通道,采用铜块加热法,在Re=1×104~2×104和Ro=0~1.23内实验研究了旋转通道内展向及流向的换热特性。结果表明,静止下的大宽高比通道表现出非常强的展向换热不均,而旋转的引入削弱了展向换热差异,对低半径区的外侧换热可提高50%~90%;同时,在通道中段的前缘面换热随着旋转数的增大先减弱后增强,存在一个对应最低局部换热的临界旋转数(Roc=0.2~0.5);高旋转数下(Ro≥0.6),除内侧区域前缘面外,通道其他位置处的前缘面和后缘面换热均受到强化和改善,最高可达静止的2倍水平。     

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。     

高阻塞比肋化通道对流换热特性实验研究

采用实验方法对高阻塞比肋化通道的对流换热特性进行了研究。实验的Re数为1400~4500,肋高(e)和通道水力直径(H)的比值(e/H)为0.2和0.33,肋间距(S)与肋高(e)的比值(S/e)为5,10和15。肋化通道中的肋有顺排和叉排两种排列形式。研究结果表明:(1)随着阻塞比和Re数的增加,对流换热系数逐渐增大,但相应的流动损失亦不断升高。(2)无论是顺排还是叉排肋化通道,在肋间距比分别为5,10和15三种情况下,间距比为10的对流换热系数和流阻损失均高于其它两种情况。(3)在实验几何参数范围内,顺排肋化通道的对流换热系数和流动压损均高于叉排通道。     

锯齿形硅基微通道内流动与换热特性实验

采用微机电系统(MEMS)工艺在硅片上制作锯齿形微通道,并对其内部流动和换热特性进行了实验研究,同时与相同高宽比和当量直径的平直微通道进行了对比,讨论了锯齿形硅微通道强化换热的机理.研究表明:锯齿形微通道内流动摩擦常数fRe和换热努塞尔数Nu较平直微通道均有明显提高,且提高幅度随雷诺数Re增加而增加;相同泵功条件下锯齿形微通道换热热阻显著下降.      

通道参数对再生冷却通道流动换热的影响

应用RSM模型对冷却通道的流动与换热进行了三维数值模拟,冷却剂为气氢,考虑其物性随温度和压力的变化.所得结果表明:增加壁面粗糙度使冷却剂换热强化,但会增加流阻损失;在突扩突缩区域会出现旋涡,旋涡使局部流阻损失加大且使湍流加强,壁温在旋涡出现处降低;冷却通道内的流动发展不受入口湍流强度的影响;冷却剂离心力引发径向平面内的二次流动,二次流引起的冷却剂质量重新分布使传热在凹曲率段强化,凸曲率段恶化.      

突片作用下气膜冷却对流传热特性的试验研究

为了研究突片对气膜冷却的影响规律,设计了3种不同堵塞比的等边三角形突片,并对其对气膜冷却特性的影响规律进行了实验研究.研究结果表明,与无突片的气膜冷却相比,突片的存在提高了对流换热系数,在吹风比0.5～0.78时,堵塞比为0.1时气膜冷却对流传热系数最高;当吹风比为1.22～1.5时,堵塞比为0.27时气膜冷却对流传热系数最高.但突片的存在也增大了气流在气膜孔中的流动阻力.     

涡轮叶片内部沿周边分布的竹节孔换热特性研究

根据发动机涡轮叶片内部沿周边分布的竹节孔冷却通道结构建立了简化的传热分析模型。首先通过无量纲分析得到了竹节孔的平均努塞尔数不仅与雷诺数和普朗特数有关,还与“竹节”形状、通道外壁形状以及流体和固体的导热系数比等参数有关。然后,对雷诺数和冷却通道几何参数对竹节孔平均努塞尔数的影响进行了数值模拟研究,计算并对比了上述参数对平均努塞尔数的影响规律,结果表明：（1）“竹节”结构使平均努塞尔数显著增大,而通道外壁形状主要影响了局部热流密度和局部努塞尔数的分布情况;（2）随着通道内的雷诺数和“竹节”的节高/孔径比的增加,平均努塞尔数单调增大。但以增大节高/孔径比的途径来提高平均努塞尔数时,阻力系数迅速增大;（3）可通过增大雷诺数和优化节距/节高比来提高竹节孔的平均努塞尔数,计算表明最佳节距/节高比约为10。     

Effect of Coriolis and centrifugal forces on flow and heat transfer at high rotation number and high density ratio in non orthogonally internal cooling channel

Numerical predictions of three-dimensional flow and heat transfer are performed for a two-pass square channel with 45° staggered ribs in non-orthogonally mode-rotation using the second moment closure model. At Reynolds number of 25,000, the rotation numbers studied were 0,0.24, 0.35 and 1.00. The density ratios were 0.13, 0.23 and 0.50. The results show that at high buoyancy parameter and high rotation number with a low density ratio, the flow in the first passage is governed by the secondary flow induced by the rotation whereas the secondary flow induced by the skewed ribs was almost distorted. As a result the heat transfer rate is enhanced on both co-trailing and co-leading sides compared to low and medium rotation number. In contrast, for the second passage, the rotation slightly reduces the heat transfer rate on co-leading side at high rotation number with a low density ratio and degrades it significantly on both co-trailing and co-leading sides at high buoyancy parameter compared to the stationary, low and medium rotation numbers. The numerical results are in fair agreement with available experimental data in the bend region and the second passage, while in the first passage were overestimated at low and medium rotation numbers.     

冲击+逆向对流+气膜冷却传热特性的研究

为了研究火焰筒壁面冲击+逆向对流+气膜复合冷却方式的传热特性, 设计了6种不同几何结构的实验件, 搭建了实验台, 采用红外热像仪对其传热特性进行了研究.结果表明, 冷却效率随吹风比的增大而增大;在气膜出口与冲击位置之间, 气膜冷却效率沿主流方向不断增加, 在相同的冷却壁面处, 冷却效率随冲击位置距气膜出口的增加而减小;越过冲击位置, 冷却效率随壁面位置的增加而减小.在冷却壁面的任一位置, 冷却效果随冲击间距的减小而增大.      

基于热驱动理论的新型冷却技术换热效果实验和比较

新型超级冷却技术(NSCT)是一种基于热驱动理论的新型冷却技术,针对该技术的平均换热特性进行了实验研究,结果表明:随着浮力数Bu、旋转雷诺数Reω、进口冷气雷诺数Rez的不断增大,旋转条件下新型超级冷却技术的平均换热效果逐渐增强.将新型冷却技术与常规两种涡轮叶片冷却方式-肋强化冷却和冲击冷却的平均换热效果进行比较,得出结论:在实验范围内,新型超级冷却技术比另外两种冷却方式具有更优的换热效果.