R141b在圆形微通道内的沸腾换热实验研究

为提高换热强度、解决设备内部高热流密度散热问题,采用实验方法研究R141b在不同直径(D=0.5mm和1.0mm)水平圆形微通道内的沸腾换热特性,分析了热流密度(q=2.0kW/m~2～47.6kW/m~2)、质量干度(x=0～0.6)、质量流速(G=111.11kg/(m~2·s)～333.33kg/(m~2·s))的变化对平均传热系数h的影响,探究不同情况下影响沸腾换热的主导因素。实验研究表明:平均传热系数h随热流密度q的增加而减小,在不同范围内减小速率有明显差异;热流密度q=2kW/m~2～5kW/m~2时质量流速G对平均传热系数h影响较明显,热流密度较高时质量流速G对换热影响很小;在质量流速G=111.11kg/(m~2·s)～333.33kg/(m~2·s),质量干度x0.3时,平均传热系数h随质量干度x增加而明显下降,在设计微通道换热器时应尽量使R141b处于初始沸腾阶段以获得更好换热效果,并采取一定措施预防干度过高引起的换热恶化。     

狭窄空间内沸腾传热机理

通过实验观察,分析了狭窄空间内沸腾传热特征,得到表征通道宽度的Ｂｏｎｄ数存在临界值（０．６）。通道超临界和亚临界情况沸腾传热机理完全不同。对于超临界通道（Ｂｏｎｄ数≥０．６）沸腾传热是池沸腾传热和液相对流传热的叠加。亚临界通道（Ｂｏｎｄ数＜０．６）情况,加热表面被聚合汽泡和液柱周期性交替冲刷。汽泡通过加热面时,汽泡与加热面间存在一层薄液膜,这时主要通过液膜蒸发传热。液柱通过时为液相对流传热。上述模型均考虑了介质沿加热面的流动。模型预测的结果与实验值吻合良好,同时也证实了狭窄通道强化传热时存在最佳宽度与高度。     

Experimental investigation on boiling heat transfer characteristics of Al_2O_3-water nanofluids in swirl microchannels subjected to an acceleration force

Experiments were carried out to investigate the boiling heat transfer characteristics of Al_2O_3-water nanofluids in swirl microchannels under terrestrial gravity and acceleration fields. A centrifuge with a two-meter long rotational arm was used to simulate the acceleration magnitude up to 9 g and three various acceleration directions. Three test sections with different geometric parameters were applied. The volume concentration of Al_2O_3 nanoparticles with an average diameter of 13 nm was varied from 0.07% to 0.1%. The mass flow rate and vapor quality were in ranges of 3–6 kg/h and 0.4–1.0%, respectively. The effects of the mass flow rate, microchannel aspect ratio,vapor quality, nanoparticle volume concentration, and acceleration direction and magnitude were analyzed in a systematic manner. Experimental results showed that the acceleration direction and magnitude had significant influences on the boiling heat transfer. The heat transfer under configuration C was found to be superior to that under configurations A and B. Moreover, the heat transfer coefficient increased with increases of the mass flow rate and the volume concentration and decreased with the aspect ratio.     

锯齿扁管内沸腾换热试验

建立以等热流密度方式进行试验件加热的沸腾换热试验系统,分别对当量直径为1.28mm和1.59mm锯齿扁管内R134a工质的沸腾换热特性进行研究,试验参数范围:制冷剂质量流率为68.5~305.5kg/(m2·s),工作饱和压力为0.27~0.46 MPa,加热热流密度为9~42kW/m2。试验结果表明:相同结构的通道,当量直径小换热能力更强;热流密度和饱和压力对沸腾换热的影响与一个干度值有关。当干度小于此值时,沸腾换热系数会随着热流密度及饱和压力增大而增大;而当干度大于此值时,沸腾换热系数随着干度增大而急剧下降,热流密度和饱和压力对换热的影响较小;该干度值会随着热流密度或饱和压力增大而逐渐变小。质量流率对沸腾换热的影响与热流密度有关,随着热流密度增大,质量流率的影响趋向大干度区域。通过分析各参数对沸腾换热的影响,建立了一个预测试验工况下微小尺寸锯齿扁管的沸腾换热系数计算经验公式。     

过载环境下1.002mm管内流动沸腾传热的实验

通过地面离心转台模拟过载,对R134a在内径为1.002 mm管内的沸腾流动传热进行了实验研究。结果表明:管内流动沸腾传热特性随着重力的变化而变化;在重力为3.16g(g=9.8 m/s2)时,过载下的传热系数比常重力下的大;随着过载的增加,大多数情况下传热系数先增大后减小,转折点在1.1g~1.4g;在3.16g时,部分传热系数开始出现低于1g时的情况;干度对传热系数的影响特性因重力不同而不同。研究了常重力下流动沸腾预测模型对过载环境的适应性,鉴别出了对过载数据预测较好的公式。      

高温涡轮叶片用航空煤油冷却的机理研究

本文用航空煤油为冷却介质,在均匀受热的铅直圆管内沸腾形成气液两相流动,研究其沿程换热系数的变化规律,并与用水为冷却介质相比较;研究在不同工况下,煤油沸腾气液两相流动时的不稳定性和结焦的情况。      

超（近）临界压力航空煤油RP-3的拟过冷沸腾传热特性

为了研究吸热型碳氢燃料在新型飞行器中的再生冷却性能,采用电加热方式,在热流密度0.1-1.0MW/m2和质量流速500-1000kg/m2s条件下,小通道圆管内（D=1.6mm）研究了超（近）临界压力下（P=3MPa）航空煤油RP-3的拟沸腾流动传热特性。研究发现了超（近）临界压力航空煤油的拟过冷沸腾传热现象。拟过冷沸腾壁温变化特征和传热恶化特征与亚临界压力下的相应特征存在差异。超临界压力航空煤油传热区域划分为类液态强制对流传热区、拟过冷沸腾区和类气态强制对流传热区。拟过冷沸腾壁温和传热系数随流体温度增加而缓慢增加,起到传热强化的作用;拟临界温度区域,存在传热系数极小值点,燃料发生传热弱化;燃料温度大于拟临界温度,燃料处于超临界类气态,传热大幅强化。     

常重力及微重力下液氢膜态沸腾换热预测

以液氢膜态沸腾换热为对象,收集并分析文献中涉及液氢膜态沸腾换热的实验数据。通过充分的对比研究,考核3种典型关系式针对液氢膜态沸腾换热预测的适用性与预测精度,建立可预测微重力下液氢膜态沸腾换热热流密度的数学关系式。研究发现:在地面重力下,加热面几何结构、朝向似乎不会对沸腾换热热流密度产生明显影响,均可采用Breen & Westwater公式预测其传热系数;而重力水平会对膜态沸腾换热产生较大影响,且不同重力下换热热流密度之比与重力比之间满足幂指数的关系;依据该关系式可以求解微重力下液氢的膜态沸腾换热热流密度,预测误差控制在15%以内。      

扁管微小通道内R134a的沸腾换热试验

搭建适用于多种结构微小通道的沸腾换热试验系统,研究了制冷剂R134a在当量直径分别为0.63mm和0.72mm的多孔扁管微小通道内的沸腾换热特性。试验参数包括制冷剂质量流率为82~621kg/(m2·s),饱和压力为0.22~0.63MPa,干度为0~1;采用等热流密度方式加热,热流密度范围为9.7~64kW/m2。结果表明:R134a在扁管内沸腾换热中,当干度在0~0.6区间时,微小通道的传热系数明显高于常规通道,换热类型主要为核态沸腾,传热系数随热流密度和饱和压力的增大而增大,与质量流率关系不大;当干度大于0.6之后,传热系数随着干度的增大急剧减小,且在此干度区间,传热系数受热流密度和饱和压力影响较小,而受质量流率的影响相对较大。利用该结论和公开文献中R134a沸腾换热试验数据对Gungor-Winterton公式进行改进,改进后的公式对所有试验点的平均相对误差为-1.17%,平均绝对误差为19.24%,预测精度有了明显提高。      

A thorough experimental investigation of shock/shock interferences in high Mach number flows

The Types III and IV interference flows, as defined by Edney, and corresponding heat transfer distributions were investigated experimentally. The model consists of a cylindrically blunted plate and a wedge serving as an oblique shock generator. The ‘thin wall’ technique was used for heat transfer measurements on the cylinder surface. These experiments were carried out in the TsAGI short duration wind tunnel UT-1 at Mach numbers 6 and 16 in air and at Mach number 6.6 in carbon dioxide. The Reynolds number based on the plate bluntness diameter was varied in the range 2.2×10⁴ to 1.6×10⁶. Tests of the cylinder alone (without the wedge) at Mach number 6 and for different Reynolds numbers revealed an influence of incoming disturbances on the stagnation line heat transfer. The influence of the impinging shock location on the interference heat transfer was carefully investigated. Systematic calculations of inviscid flow at Mach number 6 were also performed. Estimations of the maximum interference heat transfer rate, based on these calculations and a boundary layer approach, compare well with the data. Influence of the specific heat ratio on the interference flow was studied. These experiments and calculations revealed important features of interference flow patterns and heat transfer distributions.     

超临界压力下碳氢燃料在竖直圆管内换热特性

以国产航空煤油RP-3为对象研究了超临界压力下热流密度和进口温度对碳氢燃料在竖直向上管和竖直向下管的换热特性的影响.实验中热流密度变化范围为300~600kW/m2,进口温度变化范围为293~723K,压力及流量分别保持为5MPa以及3g/s.研究表明:在所有实验工况下,实验进口处将首先出现换热恶化现象,之后随着热边界层的充分发展换热逐渐增强;当管内流体状态从超临界压力液态过渡到超临界状态,由于物性的显著变化将导致换热沿管程方向得到显著强化.当进口油温超过其拟临界温度后,由于碳氢燃料吸热能力迅速降低导致管内出现了换热恶化.对于竖直向上流与竖直向下流,即使浮升力判断因子的值小于10-5,浮升力的影响仍然不能忽略.最后,在实验结果基础上,提出了超临界压力碳氢燃料在微细管内流动的强迫对流换热经验关系式.      

航空发动机管壳式燃-滑油散热器换热特性计算

采用无量纲关系曲线(Re~St·Pr2/3)计算管壳式燃-滑油散热器管程、壳程表面传热系数,基于效率-传热单元数法建立了管壳式燃-滑油散热器换热特性计算模型;以航空发动机某管壳式燃-滑油散热器少量试验数据为基础,拟合得到了该型散热器管程和壳程Re~St·Pr2/3关系曲线,并将该关系曲线应用于另一结构类似的管壳式燃-滑油散热器换热特性计算.算例计算表明:计算值与试验数据吻合较好,管程、壳程出口温度相对误差均不超过6.5%,总换热量相对误差不超过7.4%.该方法可应用于航空发动机管壳式燃-滑油散热器设计及验证阶段的换热特性计算.      

The influence of inlet swirl intensity and hot-streak on aerodynamics and thermal characteristics of a high pressure turbine vane

In modern gas turbines, the High Pressure Turbine (HPT) is exposed to an extreme thermal environment due to the burned gases leaving the combustor. The burned gases are characterized by flow and temperature distortions that effect the aerodynamics and heat transfer of the turbine. The purpose of this paper is to investigate numerically the effect of the intensity of the swirling flow combined with the temperature non-uniformity “Hot-Streak” (H-S) on the aerothermal performances of a HPT Nozzle Guide Vane (NGV). The investigations are conducted on the solid untwisted NGV annular cascade developed in NASA Lewis Research Center. Four swirl intensities (|S_n| = 0, 0.1, 0.25 and 0.5), two swirl orientations (positive and negative) and two hot-streaks (rounded and radial) at the NGV inlet are considered. The simulations are done by solving the Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) equations using ANSYS-CFX software. The results show that the H-S with swirl undergoes twisting following the orientation of the swirl. The H-S twist is aggressive under positive swirl compared to the negative swirl case. The inlet swirl generates a new secondary flow structure, so called Swirl Vortex (SV), which induces more aerodynamic losses. The aerodynamic efficiency under negative swirl found to be higher than that under positive swirl. The maximum temperature on the vane surface is controlled by the radial transport of the SV towards the endwalls.     

碳纳米管悬浮液强化重力型平板热管性能的实验

以带有微槽道强化传热面的小型重力型平板热管蒸发器为研究对象,以水-多壁碳纳米管(CNT)组成的纳米悬浮液为工质,在不同运行压力和不同悬浮液质量浓度下对热管蒸发器的沸腾换热特性以及临界热通量(CHF)进行了实验研究.研究证明:以水-多壁碳纳米管组成的纳米悬浮液可以明显地强化重力型平板热管蒸发器的换热特性.沸腾换热系数强化率和CHF强化率随压力降低而大幅度增加.悬浮液质量浓度对沸腾换热系数和CHF也有重要影响,在低质量浓度时,沸腾换热系数和CHF随质量浓度增加而缓慢增加.但是在质量浓度超过2.0%时,质量浓度的影响基本消失.      

狭窄空间内沸腾的几个特征

将石英或瓷质板用电热膜技术加工成加热板。将两块加热板对称地放入饱合氟利昂－１１３（Ｒ－１１３）中形成竖直窄通道。对通道内沸腾的始沸点、流型和传热规律等基本特性进行实验研究。结果表明：始沸热流随加热板通道间距减小而降低;沸腾流型与加热过程、通道间距等因素有关;存在最佳传热通道间距;最后提出小通道内始沸热流、传热规律的半经验关系式。     

超临界压力下航空煤油传热恶化判别准则

为防止航空发动机热防护中的传热恶化现象,对竖直上升圆管内超临界压力RP-3航空煤油的换热开展了实验研究。着重考察了热流密度、进口压力、进口温度等运行参数对传热恶化的影响。探究了传热恶化特性,获得了传热恶化起始条件判别准则。进一步分析了浮升力和热加速对传热恶化的影响,建立了适用于航空煤油新的浮升力和热加速判别准则,以及考虑两者影响的换热关联式。结果表明：航空煤油传热恶化出现在Nu/Nu₀<0.5的条件下。以此作为依据,当浮升力因子Bu>1.6×10^-6或热加速因子Ac>3.3×10^-6时,引发传热恶化现象。换热关联式兼顾了浮升力和热加速影响,具有较高的预测精度。     

动载对管内沸腾两相流传热特性的影响

对旋转状态下的单相水及加热单相水至沸腾的两相流进行了对比实验.通过对热耗散、流型、流阻及传热的分析与计算,研究了动载对流体流动与传热的影响.结果表明:过载强烈影响两相流动(尤其是流阻)和热传递方式,增大了流体的流阻和热损失,并削弱了流体的得热能力.动载引起的冲击交混流改变了管壁温度的均匀性和变化规律,即随着过载的增大,在一定范围内,管壁底部温度降低,顶部温度升高.      

锥柱形药柱环形槽内传热现象的数值研究

采用标准k-ε湍流模型和离散传递热辐射模型对不同来流雷诺数下锥柱形药柱前向环形槽内的流场与传热进行了数值研究。对槽内各表面与热气流之间的换热量进行了比较,并对努塞尔数沿环形槽各表面的变化进行了分析。结果表明来流雷诺数的大小影响环形槽内的旋涡数和旋涡区域的分布,进而影响槽内温度的分布,最终影响槽内装药表面与点火热气流之间的换热量。整个计算结果可为装药设计和分析推进剂的热解燃烧提供参考。     

侧载和管径对管内沸腾两相流性能影响实验

为研究飞行过程中侧向载荷对不同管径内沸腾两相流流动和传热的影响,在自行搭建的实验平台上做了多次实验.通过对实验段内流体的压差、雷诺数、孔隙率、热流密度及传热系数等参数数据的处理分析,研究了侧载和管径对管内沸腾两相流性能的影响.结果表明,动载越大,管内压差越大,管外散热越强,流体流量越小,空隙率越低,流体得热的热流密度越低.动载荷加强了单相流的表面传热系数;但对于沸腾两相流有一个先抑制再增强最后削弱的过程.管径对雷诺数、压差、孔隙率、散热能力等也有显著的影响,较小的管径流动阻力较大,而换热能力则有所提升.      

新型翅片式减涡器减阻特性数值研究

为了降低压气机径向引气过程中的压力损失,在设计出新型翅片单元结构的基础上,研究了新型翅片单元结构对径向引气压力损失的影响规律,对不同转速、新型翅片结构的去旋系统开展了数值研究,得到了不同工况下压气机共转盘腔径向引气的流场结构及压力损失分布曲线。研究结构表明:新型翅片单元结构能够抑制盘腔内气流旋流比,降低引气压力损失;翅片单元通道宽度和高度均存在最佳值使得减涡器减阻效果较好,在优选结构翅片单元通道宽度L=0.78,通道高度R3=0.97的条件下,其减阻效果较简单盘腔模型提高86.5%。高低翅片结构能起到较好的减阻效果,随着单侧翅片高度的升高减阻效果逐渐增强,在本文结构下增加单侧翅片高度L1=0.3时减阻效果最优,且A侧或B侧翅片增加带来的减阻效益相同。一方面,最优高低翅片结构其减阻性能相比于简单盘腔模型、典型翅片式减涡器模型以及翅片单元通道宽度L=0.78,通道高度R3=0.97的结构模型分别提高87.5%,29%,7.8%;另一方面,最优高低翅片结构能够减轻翅片单元的质量,具有较高的工程应用价值。