新型铝质装配式散热器换热特性试验研究及计算机模拟

对新型铝质装配式散热器换热特性进行了试验研究,拟合了传热性能关系式。在此基础上编制的新型散热器性能模拟软件,其计算结果与试验值吻合度高,具有较好的工程应用价值。还试验比较分析了新型散热器与铜质管带式散热器的换热性能。     

环形散热器的动态性能

 利用热阻热容概念近似描述环形散热器微元段上的动态特性,加上热平衡条件,从而推导出整个环形散热器动态数学模型。只要在微元段上选取适当的节点数,该模型就可以满足任意精度之要求。借助于计算机并使用有限差分法,对环形散热器的动态性能进行了数值计算,理论计算结果与空中飞行试验数据吻合较好。还给出了环形散热器芯体在某一状态下的温度分布,作为动态响应计算的特例,最后计算了此状态下环形散热器稳态性能,其结果与对应的试飞数据比较令人非常满意。     

燃气轮机一次表面换热器换热性能计算分析

针对直通道逆流型和45°叉流型两种结构形式的、适用于燃气轮机的一次表面换热器在大雷诺数工况下的流动换热特性,开展了数值模拟研究。将直通道逆流型换热器的数值计算结果与换热器校核计算结果进行了比对,发现两者结果较为吻合。同时还对比分析了两种结构形式对一次表面换热器流动换热性能的影响。结果表明,由于波纹板呈45°交替放置,45°叉流换热器内部流动复杂,局部存在明显的涡流强化换热,气体流动通道内的速度、温度分布极不均匀;此外,45°叉流换热器的换热性能强于直通道逆流换热器,但其冷热两侧压降也大幅增大。通过分析换热器的内部流动换热特点和主要性能参数,为一次表面换热器芯体优化设计提供了依据。     

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。     

航空风冷发动机缸体传热模拟及翅片形式研究

以航空风冷发动机为研究对象,采取数值模拟的方法,对地面状态发动机缸体的热状态及流场进行模拟计算。模拟结果与试验结果对比证实,采用此种模拟计算方法能准确反映发动机的真实换热过程与换热水平。采用验证后的计算模型,对发动机高空飞行冷却状况进行分析,研究了低雷诺数条件下发动机翅片散热能力的变化,提出采用错位翅片来提高低雷诺数条件下翅片的换热能力。模拟分析表明,此种翅片形式具有一定的工程应用价值。     

基于熵产最小曲线型散热器参数优化设计

基于参数化设计和模拟方法,采用VB开发了放射状散热器参数化设计模拟软件,可自动生成高质量的六面体网格和进行数值计算.利用该软件快速对风扇散热器组件的结构参数进行性能分析和讨论,加深了对风扇散热器组件各主要参数在散热器整体性能中影响程度的认识.采用并行计算流体力学方法,基于组合优化策略以熵产最小为目标函数对多参数结构风扇散热器组件进行优化,曲线型散热器优化结果比初步设计方案的性能提高了7%.      

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.      

紧凑翅片管式空气-燃油换热器试验

为实现航空发动机内部热环境与热沉的有效交互，探究换热元件的流动换热特性。以航空发动机燃油系统回油冷却换热器为例，开展了小管径矩形翅片管式空气-燃油换热器流动换热性能试验研究。试验采用高温燃油与常温空气两股工质在换热器中进行能量交换，探究换热器在不同工况下的流动与换热性能，获取矩形翅片管式换热单元管外流动换热经验关联式。结果表明：矩形翅片管式换热单元的表面传热系数约为相同结构参数光滑管束换热单元的44%，且试验结构换热单元阻力系数高于光滑管束单元，在进行翅片管束换热器设计时应综合考虑翅片对流动换热性能的影响。试验获取的翅片管式换热单元管外努塞尔数经验关联式与阻力系数经验关联式拟合偏差均不超过5%，较为准确地反应了换热单元外侧的流动换热特性。     

航空发动机1 次表面换热器流动换热性能分析

为了研究航空发动机1次表面换热器流动换热性能,基于传热单元数法并结合其结构特性,建立了换热器热力学设计方法并对经典热力学公式进行了对比分析。同时针对适用于航空发动机的4种不同结构形式1次表面换热器(直通道逆流型和1 5°,30°及45°叉流型),在真实工况下的流动换热特性开展了数值模拟研究。通过对比不同结构换热器在不同工况下的流动换热特点,可以为一次表面换热器芯体核心部件的优化设计提供设计依据和方法。基于数值计算结果,对比分析了不同交错角度θ对换热器的换热性能与流动特性的影响。结果表明:对于直通道逆流换热器,整个换热器内部温度有规律均匀分布;对于叉流换热器,由于波纹板片呈一定角度交替放置,内部流动复杂,局部存在明显的涡流强化换热,气体流动通道内的速度、温度分布极不均匀。随着交错角度的不断增大,叉流换热器的换热性能不断增强,但其冷热两侧压降也大幅增大。     

S型泡沫金属管翅式换热器的设计与实验研究

为解决航空发动机部件热防护以及热管理问题,针对CCA(cooled cooling air)技术,采用高孔隙率泡沫金属替代传统管翅式换热器金属翅片,设计一种轻质、高效、紧凑的小尺寸S型泡沫金属管翅式换热器。换热器芯体为3D打印的钛合金制作,重129 g,由S型管束以及泡沫金属翅片组成,翅片安装在管束直管段处。流动传热实验模拟航空发动机机匣外部的空-油换热器,冷侧为水,热侧为高温空气,测定两侧流体的流量、进出口温度及压力。结果表明：泡沫金属作为换热器的翅片,传热系数增大43.94%、换热量提升21.7%、综合换热性能增加25.43%,功重比平均提升17.26%,可达14.61 kW/kg。这说明泡沫金属能够提升换热器的整体性能,可用于未来航空发动机相似结构换热器的设计。     

舰载燃气轮机间冷器传热与流动的数值模拟

针对平直型翅片板翅式间冷器矩形通道的结构特点,建立了流动换热分析的耦合计算模型,应用计算流体动力学方法对间冷器的通道流场进行了数值模拟.分析了计算区域内多个截面的温度、压力、局部传热系数等参数的分布图形和变化趋势,并考察了不同工况下间冷器的换热性能和压力损失.所得结论可为舰载燃气轮机间冷器的设计与优化提供有益的参考.      

复合材料波纹板刚度工程计算方法及其在结构分析中的应用

 将复合材料层合板理论拓展到复合材料波纹层合板,得到了其拉伸、耦合和弯曲刚度的解析表达式。其次,阐述了将波纹板刚度输入到MSC/NASTRAN材料卡中的技巧,以及如何对含波纹板结构进行有限元建模分析。最后,将波纹板的刚度计算方法及建模方法应用于对某型号的中厚蒙皮复合材料多墙结构翼盒静强度计算,得到了结构测点处的位移和应变计算值。同传统的有限元分析结果比较表明,采用本文分析方法得到的计算结果更接近于试验实测值：在纯弯工况中,位移和应变计算值相对误差的平均值从9.1%和17.4%分别下降到5.2%和4.1%;在弯扭工况中,相对误差的平均值从10.5%和18.3%分别下降到6.0%和5.7%。     

基于熵产最小曲线型散热器参数优化设计及数值模拟

基于参数化设计和模拟方法,采用VB开发了放射状散热器参数化设计模拟软件,可自动生成高质量的六面体网格和进行数值计算.利用该软件快速对风扇散热器组件的结构参数进行性能分析和讨论,加深了对风扇散热器组件各主要参数在散热器整体性能中影响程度的认识.采用并行计算流体力学方法,基于组合优化策略以熵产最小为目标函数对多参数结构风扇散热器组件进行优化,曲线型散热器优化结果比初步设计方案的性能提高了7％.     

连续式跨超声速风洞热交换器设计技术初步研究

以0.6m连续式跨超声速风洞为应用背景,通过工程计算得出椭圆翅片管式热交换器的初步结构,并利用数值模拟手段详细研究了结构参数、管束材料以及流动条件对热交换器性能的影响。结果显示:换热管束的排列方式和尺寸对热交换器性能影响很大;选用高导热率的材料制作翅片,会在基本不改变压损性能的情况下大幅提高热交换器的换热系数。建立了一组方便简洁的理论公式计算热交换器出口气流温度分布,且理论计算和数值模拟结果符合良好。发现通过合理布置冷却水的流动路线,可以使热交换器出口气流具有较好的温度均匀性。     

管壳式燃滑油散热器换热特性

管壳式燃滑油散热器换热特性直接影响航空发动机滑油系统的散热冷却能力,对滑油系统的热平衡建立至关重要。为了更准确地进行滑油系统热分析计算,优化滑油系统设计,必须掌握更为精确的燃滑油散热器换热特性的计算方法。在对散热器壳程的复杂流动进行分析的基础上,分别采用Kern法、Bell-Delaware法和分段模拟法计算换热特性,并通过试验结果验证计算准确度,经对比表明,将壳程换热按流动特性进行分段模拟计算的方法具有更高的准确度,满足滑油系统设计需要。     

管壳式燃滑油散热器换热特性计算方法及试验验证

管壳式燃滑油散热器换热特性直接影响航空发动机滑油系统的散热冷却能力,对滑油系统的热平衡建立至关重要.为了更准确地进行滑油系统热分析计算,优化滑油系统设计,必须掌握更为精确的燃滑油散热器换热特性的计算方法.在对散热器壳程的复杂流动进行分析的基础上,分别采用Kern法、Bell-Delaware法和分段模拟法计算换热特性,并通过试验结果验证计算准确度,经对比表明,将壳程换热按流动特性进行分段模拟计算的方法具有更高的准确度,满足滑油系统设计需要.     

基于飞发一体化的滑油系统热性能仿真

航空发动机滑油系统与飞机、发动机的关联参数有限。为准确表达变工况滑油系统的热性能,通过研究发动机轴承腔热性能与转子转速及主流路温度参数的拟合关系,将主机温度、燃滑油参数作为输入,对发动机滑油系统在飞行剖面上典型飞行状态点的热性能参数进行了迭代计算;针对管壳式燃滑油散热器结构及运行特性,计算了散热器换热性能。建立轴承腔和散热器的数学模型;基于系统流动仿真平台,利用内部的二次开发环境编写出C#语言代码,开发出了适用于发动机的轴承生热模型和散热器模型,实现发动机滑油系统与发动机燃油系统及飞机热管理系统的联合计算;在航空发动机、飞机变工况输入条件下,进行滑油系统、发动机整机及飞发一体化的变工况热性能迭代计算,并与试验数据进行对比。结果表明：该计算方法误差小于5%,可较准确地反映变工况条件下的热管理相关参数,为飞发一体化热管理联合仿真分析提供可靠的数据来源。     

纵向波纹隔热屏通道的换热特性

通过改变进气流量、气流背压，实验研究了航空发动机加力燃烧室筒体纵向波纹板隔热屏通道结构对换热特性的影响。对无孔、每波两排孔和每波六排孔三种结构的实验结果表明，波纹板的换热效果远高于平板型，随着波纹板上的孔排数增加，换热效果增大；波形对波纹板的壁温和Nu数影响很大，密流比对Nu数的影响与波孔排数有关，得到的纵向波纹通道的平均换热经验公式，可用于指导加力燃烧室隔热屏地设计。     

波纹夹芯加筋板和波纹腹板的刚度工程计算方法及其应用

研究了波纹夹芯加筋板刚度的计算方法,并将该方法拓展到计算复合材料波纹层合板的拉伸、耦合和弯曲刚度,得到了其解析表达式。阐述了将波纹板的刚度输入到MSC．Nastran材料卡中的技巧,以及对波纹板有限元建模分析的方法。将波纹板的刚度计算技术及建模方法用于某型号的中厚蒙皮复合材料多墙结构翼盒静强度计算中,得到了结构测点处的位移计算值和应变计算值,并同试验测量值和传统的有限元分析方法得到的计算值进行了比较。结果显示,同传统的对结构细化的有限元建模分析方法相比,采用本文分析方法得到的计算结果更接近于试验实测值,位移计算值相对误差的平均值从原来的9％下降到5％,应变计算值相对误差的平均值从原来的17．4％下降到4．1％。     

CC型原表面换热器通道内流动与换热特性的数值研究北大核心

交错波纹板(CC)型换热器具有结构紧凑、换热效率高等特点,可满足间冷回热循环涡扇发动机对间冷器的要求。数值研究了CC型原表面通道内三维流动及换热特性,探究了上下波纹板交错角(θ)及雷诺数(Re)对流动损失的影响,表明阻力系数f随θ的增大而增大。详细研究了θ为90°时波纹板通道流动损失及换热特性,表明努赛尔数(Nu)随Re的增大而增大。θ为90°时,f、Nu的数值计算结果与文献结果较为接近。