γ-Reθt转捩模型在微通道流动特性研究中的应用

应用ANSYS CFX对矩形微通道中的流动进行了数值研究。通过与实验数据的对比检验了层流模型、γ-Reθt转捩模型和剪切应力输运模型在微通道流动转捩模拟中的适用性,并在此基础上探究了微通道长径比以及截面宽高比对临界雷诺数的影响。结果表明:3种模型中,只有γ-Reθt转捩模型捕捉到了转捩的趋势,并较为准确地捕捉到了临界雷诺数。当微通道的长径比不小于200,进口段对整体流动特性产生的影响可以忽略。当微通道的当量直径和长径比一定,宽高比由1增加到5时,临界雷诺数呈逐渐增长趋势。      

微通道流动转捩数值模拟

应用CFD计算软件ANSYS CFX对水力直径为0.4mm的矩形截面微尺度通道中的气体流动进行了数值模拟.采用了3种流动模型,即γ-Re_θt转捩模型、层流模型和剪切应力输运（SST）模型,并将模拟结果与实验结果进行了对比.模拟结果表明:层流模型及SST模型不具有预测转捩的能力;γ-Re_θt转捩模型捕捉到了临界雷诺数且摩擦因数相对误差在20%以下.在未达到临界雷诺数之前,通道后部已经出现局部湍流区,且局部湍流区随着雷诺数的增大而增大.壁面摩擦因数的最低点对应的流向位置与通道中前后湍流区的交结位置几乎一致.      

微尺度冲击冷却通道换热特性实验研究

为了研究真实发动机尺寸下冲击通道的流动与换热情况,选取冲击孔与气膜孔孔径均为D=0.3mm,0.4mm,0.5mm,冲击距H/D=2,2.5,3.0,孔间距P/D=5,10,雷诺数Re范围为1000~10000,保证与真实发动机工况相等的克努森数下,对不同结构微小冲击通道的整体换热情况进行分析比较。结果表明:在相同的雷诺数下,通道整体平均换热系数随着孔径的减小而增加,随着冲击距H/D的增加而减小,随着冲击孔间距P/D的增加而减小,并且拟合出了相关经验关系式。     

叶片表面粗糙度对前弯压气机叶片流动特性影响的试验研究

为了探究叶片表面粗糙度对叶型性能的影响规律,对压气机前弯叶片进行了变雷诺数多攻角工况的叶栅试验。不同粗糙度(Ra=3.0,6.2,12.3)叶片是在轮廓度有所保证的前提下,通过线切割机械加工、喷砂工艺改变表面粗糙度的方式获得。试验结果表明,粗糙度升高确实会诱发层流提前转捩,引起吸力面层流分离泡消失,除此之外,在低雷诺数(Re=9×10~5)下,Ra=3.0与Ra=6.2下叶片表面马赫数分布基本一致,到Ra=12.3时才会较明显表现出叶片吸力面峰值马赫数降低的现象。随着雷诺数升高,叶片表面马赫数分布随粗糙度变化的差异性逐渐显现,但当处于堵塞负攻角i=-6.4°下,粗糙度Ra≥6.2后,叶片性能却维持稳定。另外,粗糙度的增加会降低压力面的粘性损失,升高吸力面的粘性损失及尾迹掺混损失,因此随粗糙度升高,低雷诺数(Re=9×10~5)下总压损失随粗糙度升高呈先增后降的趋势。在高雷诺数(Re≥1.08×10~6),i=2.6°～-2.4°下粗糙度升高会导致损失升高,甚至发生严重的湍流边界层分离。与此同时,发现被研究叶型吸力面前缘(20%弦长前)马赫数分布对粗糙度并不敏感,不会因粗糙度的不同而发生变化。     

克努森数对微尺度相似流动特性影响的实验

为了研究克努森数(Kn)对微尺度相似流动特性的影响,选取理论孔径分别为0.357 4mm的小孔和3.6mm的相似放大孔实验件,并保证相同的长径比.在相同的雷诺数(Re)下对孔的Kn相同和不同的情况进行实验研究,计算孔的流量系数并进行分析比较.结果表明:在相同的Re下,小孔与相似放大孔在Kn相同时,两者流量系数吻合性很好;在Kn不同时,小孔和相似放大孔流量系数不同.因此在采用相似放大模型研究微尺度结构的流动特性时,必须保证相似放大件和微尺度原件Kn相同.     

微尺度离心叶轮间隙泄漏流动堵塞模型

通过理论分析结合数值模拟,开展了针对微尺度离心叶轮间隙泄漏流动堵塞模型的研究.结合微尺度旋转机械低雷诺数和高马赫数的工作条件,建立了考虑可压缩性和黏性损失的间隙泄漏流动堵塞模型.通过数值模拟分析了微尺度间隙泄漏流动特征及黏性在其中的作用,判定黏性作用对间隙泄漏流动的驱动作用不可忽略,黏性作用与压差作用对间隙泄漏流动的驱动作用效果相当.同时,黏性作用还会导致间隙泄漏流动的初始堵塞增大.采用某微尺度离心叶轮对间隙泄漏流动堵塞模型进行了验证,从数值计算结果中提取气动堵塞结果并与模型预测结果进行对比,表明改进的间隙泄漏流动堵塞模型能更准确地对间隙泄漏流动堵塞进行评估,在微尺度条件下具备更好的适用性.      

R141b在矩形微尺度通道中的两相流传热特性

设计搭建水力直径分别为1mm和0.5mm的矩形微尺度通道实验台,研究了以R141b型制冷剂作为工质的两相流沸腾传热特性。实验取热流密度为1～16kW/m2、质量流速为111.1～333.3kg/(m2·s)和质量干度为0～1,分析了三者对平均传热系数的影响,探究影响换热的主导因素。结果表明:热流密度较高时,平均传热系数随热流密度增加而减小,流动换热主要受到沸腾传热的影响;当质量流速较大且热流密度较低时,平均传热系数随热流密度增加而有所增长;热流密度较低时,平均传热系数随质量流速变化明显,热流密度升高到一定值后,质量流速对平均传热系数的影响很小;当质量流速处于111.1～333.3kg/(m2·s)时,平均传热系数随质量干度的增加而减小。      

微通道气体单相流动特性的数值分析

微通道是各种微系统结构中一个基本的组成部分.考虑了可压缩与粘性加热的影响, 针对氮气在3种不同尺寸的微通道(水力直径范围:30～3 000μm)内的流动特性进行了数值研究.分别就不同尺寸、不同雷诺数(Re)下压力降、摩擦因子和摩擦常数的规律进行了研究, 着重考察了长径比、入口段出口段影响、可压缩性影响及粘性加热影响.计算分析揭示出转捩雷诺数提前, 在300μm管道转捩雷诺数提前到1 200附近.      

出口宽高比对双涵道S弯喷管流动特性的影响

为了明晰出口宽高比对基于真实排气混合器构型的S弯喷管流动特性的影响机制,数值模拟了不同出口宽高比下的双S弯喷管内/外流特性。结果表明：出口宽高比对排气混合器附近的流场特征影响较小,但增加出口宽高比导致喷管下游纵向转弯处的涡量减小,而涡的横向运动更加剧烈,由此带来的涡损失及内/外涵掺混损失沿纵向有所减小,沿横向持续增大。随着出口宽高比的增加,纵向两弯处及等直段区域的壁面剪切应力减小,相应的摩擦损失和局部损失降低;而上、下壁面极限流线的扩张-汇聚程度增强使得该区域的摩擦损失增大。宽高比的增加导致喷管出口附近气流的轴向速度逐渐增大,出口下游的尾喷流速度核心区长度逐渐缩短。不同出口宽高比条件下,喷管几何构型与排气混合器相互作用产生的多种流动损失的变化趋势相反,综合起来对S弯喷管的气动性能影响较小。     

壁面粗糙度对微通道流动影响的数值模拟研究

采用多孔介质模拟粗糙元,对不同雷诺数及截面尺寸下方形直管微通道的流动进行数值模拟研究,分析了不同粗糙表面的微通道内流流场的分布及变化规律,并将数值模拟结果与实验进行了比较,发现两者最大相对误差不超过16%,表明采用多孔介质模拟粗糙元,使用数值模拟方法研究微通道内的流动是可行的。     

低雷诺数下小展弦比机翼的气动力优化设计

以固定翼式微型飞行器为研究背景,针对小展弦比机翼,将遗传算法与Navier-Stokes方程数值解法相结合,提出了一种以实数编码为基础的数值优化模型.流场数值模拟采用人工压缩方法,遗传算法采用锦标赛选择、自适应交叉和变异操作算子,对微型飞行器机翼选取五个设计点分别进行了升阻比优化设计.优化结果表明,本文的优化模型具有较高的搜索效率和显著的优化效果,五个设计点机翼的升阻比均提高30%以上.优化后的翼面接近椭圆形状,翼型前缘钝厚,尾缘向上拱起,这种形状能大大增加升力,降低诱导阻力,从而显著提高机翼的气动性能.     

小高径比扰流柱冷却通道的换热和流动特性

采用数值模拟的方法,对涡轮叶片尾缘处圆形小高径比扰流柱冷却通道的换热和流动特性进行了研究,分析进口雷诺数和扰流柱间距对冷却通道换热和流动特性的作用过程.结果表明:进口雷诺数的提高能够有效改善冷却通道端壁的换热性能,但这种改善能力随着进口雷诺数的提高而逐渐减弱,同时降低冷却通道的压力损失系数.在两种扰流柱间距中,流向间距是影响端壁换热性能的主要因素,随着流向间距的减小,冷却通道换热性能逐渐变好,压力损失系数降低;横向间距是影响冷却通道流动损失的主要因素,两者大小成反比关系.在通道计算中,扰流柱平均换热性能约是端壁平均换热性能的1.8倍,端壁换热权重约是换热面积比0.824倍,同时该权重几乎不受进口雷诺数的影响.      

小展弦比机翼加装格尼襟翼的低雷诺数试验

通过风洞试验研究了在低雷诺数下加装格尼襟翼的小展弦比机翼气动特性,机翼展弦比为1.67,格尼襟翼为1%~4%弦长高度,试验雷诺数分别为2.0×105和5.0×105.天平测力和表面测压的试验结果表明:低雷诺数下小展弦比机翼加装一定高度的格尼襟翼后,升力系数明显提高,加装1%弦长高度的格尼襟翼还能够提高机翼的升阻比.这是因为在试验雷诺数下,合适高度的襟翼在提高了机翼升力的同时并未显著增大机翼阻力.对比不同试验雷诺数下格尼襟翼的作用效果,表明格尼襟翼能够减少低雷诺数气流分离的不利影响,并且在较小的雷诺数下这种作用更加显著.关于格尼襟翼对低雷诺数层流分离现象的影响,还需要通过细致的流场显示技术进行研究.      

Numerical investigation of the interaction between upstream cavity purge flow and main flow in low aspect ratio turbine cascade

In modern gas turbines, rim seal located between the stator-disc and rotor-disc is used to prevent hot-gas ingestion into the inner stage-gap of high pressure turbine. However, the purge flow supplied to the cavity through the rim seal interacts with the main flow, producing additional aerodynamic loss due to the mixing process which plays a significant role in the formation, development and evolution of downstream secondary flow. In this paper, a set of cascade representative of low aspect ratio turbine is selected to numerically investigate the influence of upstream cavity purge flow on the hub secondary flow structure and aerodynamic loss. Cascade with/without upstream cavity and four different purge mass flow rates are all taken into account in this simulation. Then, a deep insight into the loss mechanism of interaction between purge flow and main flow is gained. The results show that the presence of cavity and purge flow has a significant impact on the main flow which not only changes the vortex structure in both the passage and upstream cavity, but also alters the cascade exit flow angle distribution along the spanwise. Moreover, aerodynamic loss in the cascade rises with the increase of purge flow rate while the sealing effect is also enhanced. Therefore, the effect of upstream cavity purge flow must be considered in the process of turbine aerodynamic design. What is more, it is necessary to minimize the purge flow rate in order to reduce aerodynamic loss on the premise of satisfying cooling requirements.     

Experimental investigation of surface roughness effects on flow behavior and heat transfer characteristics for circular microchannels

This paper experimentally investigates the effect of surface roughness on flow and heat transfer characteristics in circular microchannels. All test pieces include 44 identical, parallel circu-lar microchannels with diameters of 0.4 mm and 10 mm in length. The surface roughness of the microchannels is Ra=0.86, 0.92, 1.02 lm, and the Reynolds number ranges from 150 to 2800. Results show that the surface roughness of the circular microchannels has remarkable effects on the performance of flow behavior and heat transfer. It is found that the Poiseuille and Nusselt num-bers are higher when the relative surface roughness is larger. For flow behavior, the friction factor increases consistently with the increasing Reynolds number, and it is larger than the constant the-oretical value for macrochannels. The Reynolds number for the transition from laminar to turbu-lent flow is about 1500, which is lower than the value for macrochannels. For the heat transfer property, Nusselt number also increases with increasing Reynolds number, and larger roughness contributes to higher Nusselt number.     

基于CFD／CSD的大展弦比机翼气动弹性分析

大展弦比飞机在飞行过程中受气动载荷影响,其大展弦比机翼产生弯曲和扭转变形,这种弹性变形严重影响飞机的飞行性能和飞行安全,不能将此种飞机机翼当作传统的刚性机翼进行气动分析。针对一大展弦比机翼,采用气动／结构耦合分析方法,利用计算流体动力学（CFD）软件CFX和计算结构动力学（CSD）软件ANSYS联合求解,研究了在不同载荷情况下大展弦比机翼静气动弹性变形对机翼气动特性的影响。结果表明,大展弦比无人机机翼受载变形后升阻比降低,升力下降明显,阻力略有上升,机翼翼尖容易失速。     

大展弦比机翼翼梢装置性能特性研究

针对大展弦比机翼的四发涡桨飞机巡航速度较低、巡航升力系数较大的缺点,通过加装不同的翼梢装置改善翼尖流场特性,从而提高升阻比,提升飞机起飞性能、爬升性能和续航性能。计算结果表明,翼梢装置可有效提高大展弦比机翼飞机的飞行性能,为进一步优化翼梢装置提供了技术基础。     

低雷诺数下高负荷轴流压气机表面粗糙度流动调控机制

以某1.5级高负荷轴流压气机为研究对象,采用经过校核的数值模拟手段详细探究了低雷诺数下表面粗糙度对其气动性能及内部流场的影响.结果表明:相比于光滑叶片,表面粗糙度为137.8时压气机性能提升最为明显,总压比、堵塞流量以及峰值效率分别提升4.01％、2.24％、5.34％.在整个表面粗糙度大小范围内,表面粗糙度布置在吸力...     

通道深宽比对液体火箭发动机推力室再生冷却的影响

应用湍流模型对液体推进剂火箭发动机再生冷却推力室通道的流动与传热进行了三维数值模拟, 冷却工质为氢气, 其密度、导热系数、动力粘度随着温度和压力而变化, 冷却剂比热容及金属固体物性随着温度而变化.计算采用标准k-ε两方程湍流模型及气-固耦合算法.保持再生冷却通道个数及冷却工质进口流量不变, 通过改变通道肋壁厚度来改变冷却通道深宽比, 研究不同深宽比对推力室壁面再生冷却效果的影响规律.计算结果表明:增加通道深宽比对推力室壁面能够起到强化传热的作用, 但同时也增加了冷却通道的进出口压差.这是由于冷却工质流速的增高, 从而提高了推力室传热系数.随着深宽比不断增加, 推力室再生冷却效果趋于饱和, 而冷却工质进出口压降则不断上升.      

模型跟踪和涡流控制在飞翼布局飞机上的应用

为增加小展弦比飞翼类布局飞机的操纵特性,并满足其对隐身性能的要求,将模型跟踪控制器和涡流控制器进行综合使用.模型跟踪是一种提高系统闭环响应并跟踪驾驶员指令的方法,通过此方法可使动态特性较差的飞机对动态特性较好的飞机输出进行跟踪,由此来改善飞机的动态特性.增加涡流控制可以进一步扩展模型跟踪控制的作用效果,涡流控制器使用变步长神经网络进行训练.结果表明,两种方法的综合使用可以有效地提高飞机的动态特性,通过增加涡流控制后,进一步增加了模型跟踪控制的作用效果.