舰船燃气轮机问冷器优化设计与性能分析

板翅式换热器由于其高效紧凑的换热特点成为目前舰船燃气轮机间冷器的首选形式。借助板翅式换热器内部流动通道的换热和压降计算方法,针对舰船燃气轮机特点设计了模块化间冷换热器,并进行了间冷器结构参数优化分析。结合间冷器冷热介质流量对其性能的影响,合理优化设计冷热介质流量参数,分析了在燃气轮机非设计工况下间冷器的效率和气侧总压恢复系数的变化情况。     

转子热弯曲瞬态温度场研究

研究转子在停止加热后，在自然对流换热过程中转轴的瞬态温度场，为热弯曲变形分析提供了依据，以双环式实验器为对象，采用SIMPLE方法计算换热系数，用三维有限元方法计算转子瞬态温度场，计算结果与实验结果吻合较好，因而，这种方法可用于分析发动机转子在停机后的温度变化规律。     

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。     

刷式密封流动传热特性数值方法

开展了刷式密封流动传热特性数值方法研究,分别建立了刷式密封多孔介质、稳态实体与瞬态流固热耦合求解模型,设计搭建了刷式密封泄漏流动特性实验装置,在实验验证数值方法准确性基础上,对比分析了3种数值方法的差异性,研究了刷式密封流动传热特性,揭示了刷式密封的封严与传热机理。研究结果表明:在研究工况下,刷式密封多孔介质、稳态实体、瞬态流固热耦合模型泄漏量计算值与实验值的对比误差分别为9.8%~17.1%、8.1%~10%、6.92%~9.01%。刷式密封多孔介质模型计算速度较快,但需通过实验修正孔隙率,湍流模型对稳态实体模型流动传热特性结果影响较大,瞬态流固热耦合模型考虑了流场、刷丝及摩擦热三者间相互耦合作用,计算精度较高,但所需计算时间较长;同一压比下刷丝束温度从上游至下游逐渐增加,刷丝束最高温度随压比的增加而增大。气流流经刷丝间隙形成的节流效应致使泄漏气流能量耗散是刷式密封封严的主要原因,泄漏气流与刷丝表面间的对流换热是刷式密封摩擦热耗散的主要形式。      

电机变频控制实现换热器节能的应用研究

结合寒冷地区气候特点与通信机房温控的现状,针对50%浓度乙二醇溶液为工质的换热器,试验研究了自然冷源利用率与换热器自身变频节能的关系。结合乙二醇冷剂的特性,通过建立功率与频率关系模型、温差与功率和频率关系模型,实现了换热器循环泵和风机的变频控制策略。结果表明:在室内外温差、换热功率与循环泵、风机频率同时满足的条件下,以功率模型作为参数进行换热器自身的变频节能是可行的。通过对哈尔滨地区的气候数据与散热房控温试验分析,证明了乙二醇换热器的变频节能效果。     

分形树状通道换热器内的流动换热特性

建立了分形树状通道换热器中层流流动与传热的三维稳态模型,采用流固耦合计算方法对入口水力直径为4mm的矩形截面树状通道内流动换热进行了数值模拟,重点研究了分叉效应对传热的强化机理和换热器受热面的温度分布。研究结果表明:分叉处形成的二次流能有效地强化换热;与传统的蛇形通道相比,分形树状通道换热器具有温度均匀性好、压降小的明显优势。在相同入口雷诺数时,分形树状通道换热器受热面的最大温差远小于蛇形通道换热器,另外,分形树状通道的层流流动压降较之蛇形流道可减小50%以上。同时,加工了分形树状通道换热器及蛇形通道换热器各一套,对数值模拟结果进行了实验验证。实验值与模拟值能较好地吻合,证明了所建流动换热三维数值模型正确可信。     

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。     

自由液体射流冲击高速旋转圆盘的耦合换热

为了研究自由液体射流冲击均匀加热高速旋转圆盘的耦合换热特性，采用数值模拟方法对比分析了固体和流体材料参数对流动及换热的影响。结果表明：不同固体材料参数对应的努塞尔数分布规律相似，同一半径位置处的努塞尔数最大相对偏差不大于10%。与径向温度分布相比，轴向温度差受固体材料导热系数变化的影响更大，铜和泡沫砖的径向最大温差仅相差3倍，而与导热系数近似呈反比的最大轴向温差相差达3 471倍。圆盘表面液膜平均径向流速和换热性能随流体黏度的增加而下降。黏度较小的氨和水对应的二次峰值换热强度较一次峰值的增加量超过了15%，黏度较高油类的二次峰值换热强度仅为一次峰值的50%～60%。射流介质采用黏度较小的水和氨时，盘面温度几乎保持不变，最大温差比小于7.86×10^-4；黏度较大的油类作为射流介质时在驻点附近的温度变化剧烈，当R/d超过2.5后，温度分布仅有小幅的波动。     

板翅式换热器换热效能三元线性回归模型及其系数辨识

针对系统仿真需要,忽略壁面导热热阻和流体物性参数变化,推导出一定对流换热准则形式下,板翅式换热器传热单元数(NTU)与两种流体介质质量流量间的三元线性回归模型。利用少量换热器性能试验数据,以MATLAB内嵌最小二乘法可准确确定该模型系数,进而获得换热效能曲面。对比研究结果表明:该模型不仅试验数据少、拟合精度高,且具有一定的鲁棒性;即使不能准确知道换热器结构参数或传热因子的拟合公式,也能利用少量性能试验数据合理给出换热效能曲面,解决系统仿真研究时换热器模型参数的输入难题。     

螺旋管式空气-空气换热器的设计和实验研究

为解决飞行器高马赫数飞行时,用于冷却航空发动机涡轮叶片和其他高温部件的压气机出口空气温度过高的问题,设计加工了一种以外涵空气为冷源的螺旋管式空气-空气换热器用于预先冷却冷却空气。换热器由48根材料为不锈钢321,外径4 mm,壁厚0.5 mm的螺旋管组成,重量1.91 kg,传热面积密度106 m2/m3。在常温工况下实验研究了换热器管内和管外流体的阻力特性,高温条件下试验验证了换热器设计点性能,压气机出口空气温降达188 K,功重比4.9 kW/kg,换热器展现出较强的换热能力。高温条件下实验研究了两侧空气流量分别单独变化时换热器的热动力性能,拟合了管外换热经验关系式。研究结果可用于未来相似结构换热器的设计。     

基于流热固耦合的板式换热器热应力分析

正换热器是工业生产系统中最常用的设备之一,是一种不同温度的流体热量传递与交换的工艺设备。作为换热器中最常见的一种,板式换热器由一系列相互平行的波纹板片叠加组成,板片之间形成流体通道,冷热流体通过板片进行换热。在运行过程中,由于冷热流体温度与流量不同,从而在板片两侧产生温差与压差,使板片发生变形,而板片由于收到约束,变形无法自由释放,因此产生热应力。目前大部分有关热应力的研究,一般为利用已知的平均温     

中心进气的旋转盘平均换热特性研究

实际发动机的气冷涡轮盘结构被简化成具有中心进气的旋转盘模型, 以实验方法研究了旋转雷诺数Re、进气流量系数C_w、间隙比G和出气间隙比G_s对旋转盘表面平均换热特性的影响。在本实验范围内, Re较大时, 它对盘面的Nu有较为明显的影响;C_w的增大会提高转盘表面的换热能力;G和G_s对盘面的N_u影响较小。根据实验结果给出了一个计算旋转盘表面平均对流换热系数的经验关系式。      

涡轮叶片尾缘出流对带叉排扰流柱阵列的内冷通道传热特性的影响

本文用实验的方法模拟研究了涡轮叶片尾缘出流对带叉排扰流柱阵列的内冷通道的对流换热特性的影响。实验模型通道为矩形通道,扰流柱的排列参数S_n/d为6.5,S_p/S_n为1.2,其中d为扰流柱的直径,S_n为扰流柱横向间距,S_p为2倍的纵向间距。矩形模型通道的长边与转轴的夹角为20°。研究了出流孔总面积A₀与通道最大截面积A的比值,雷诺数Re,转动数R₀等参数对传热特性的影响。并比较了尾缘出流与叶尖出流的换热特性。      

旋转带肋U型通道内流动与换热的数值模拟

为了获得能够模拟高参数涡轮叶片内冷通道换热效果的模型，数值模拟了旋转状态下U型通道内的流场和温度场，比较了数值模拟与实验的结果。结果表明：所采用的计算程序和模型与实验结果吻合。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；哥氏力在垂直于旋转半径截面上的不均匀分布引起流动较大变化，对通道内各面换热的影响比较大。哥氏力的作用较大幅度强化指向面换热，小幅强化两侧面换热，而弱化背向面换热。对于带肋通道，总体上阻力系数随着旋转速度的增加而升高。     

等离子体助燃对燃烧产物影响的实验

采用介质阻挡放电在燃烧实验段中产生等离子体,进行了等离子体助燃条件下丙烷/空气混合气燃烧过程影响因素及其规律的实验研究.测量了空气、丙烷/空气混合气介质阻挡放电的光谱特性,通过烟气分析仪测量燃烧产物成份,得到了燃烧产物中O₂,CO体积分数随时间的变化,研究了激励器放电电压、空气流量、丙烷流量对燃烧产物的影响.实验结果表明:等离子体助燃时,O₂和CO体积分数变化速率增大;稳定燃烧后O₂和CO体积分数小于常规燃烧的,燃烧效率提高;减小放电电压,增大空气、丙烷流量,等离子体助燃的效果减弱.      

多影响因素作用下碳氢燃料跨临界过程换热恶化的数值研究

为深入理解多影响因素作用下碳氢燃料跨临界过程换热恶化的特性,基于开源计算软件OpenFOAM对超临界RP-3的流动换热过程进行数值模拟。采用广义对应状态法则对碳氢燃料替代模型的物性进行计算,湍流模型选用SST(shear stress transport)k-ω湍流模型。与实验数据比较,热流密度为300~400kW/m2内的计算壁温平均误差小于3%。研究分析了换热恶化机理,讨论压力、进口温度、热流密度与质量流量之比对RP-3换热特性的影响。结果表明:拟临界温度附近RP-3热物性的剧烈变化是强制对流下发生换热恶化的主要原因;提高压力、降低热流密度与质量流量之比或减小进口温度是避免流体在拟临界温度附近发生换热恶化的有效措施;提出了换热恶化预测关联式,为主动再生冷却技术提供参考。      

带进气预旋的旋转空腔平均换热特性研究

某型发动机的实际涡轮盘腔冷却结构被简化成外缘预旋进气的旋转空腔模型,以实验方法研究了旋转雷诺数（Re_ω）、冷气雷诺数（Re_z）、哥拉晓夫数（Gr*）对主盘平均换热特性的影响。实验发现,旋转空腔内流态将由罗斯比数（R_o）判断。根据实验结果给出了计算主盘表面平均对流换热系数的经验关系式。      

竖直下降圆管内超临界压力RP-3航空煤油传热恶化实验研究

为理解空-油换热器中的冷却换热特性,对竖直下降圆管内超临界压力RP-3航空煤油的换热进行了实验研究。探究了稳态换热特征和换热机理,探讨了质量流量、热流密度、运行压力和进口温度对换热的影响;基于拟沸腾数提出了传热恶化的临界准则以及壁温最大飞升值的预测准则;通过浮升力和热加速判别准则分析了两者对换热的影响;实现了换热关联式预测。结果表明：浮升力和热加速对换热的影响可以忽略。拟沸腾换热机制,即近壁流体膨胀力相比惯性力占主导时,类气态流体层覆盖壁面是传热恶化的原因。当拟沸腾数高于2.5×10^-4时,拟沸腾换热机制起作用。最后,探究了泄压过程中的瞬态换热特征。泄压过程中拟沸腾数不断增大,传热恶化加剧,高泄压速率下甚至出现壁温波动。     

外缘轴向进气的旋转空腔主盘平均换热特性研究

某型发动机的涡轮盘腔冷却结构被简化成外缘轴向进气的旋转空腔模型,以实验方法研究了旋转雷诺数（Re_ω）、冷气雷诺数（Re_z）、哥拉晓夫数（Gr*）对主盘平均换热特性的影响。实验发现,主盘平均换热系数随冷气雷诺数的增大而增加,随旋转雷诺数的增加而下降,随哥拉晓夫数的增加而增加。根据实验结果给出了计算主盘表面平均对流换热系数的经验关系式。      

航空多级式无刷同步起动发电机联合模型研究

建立准确的电机模型是深入研究航空多级式无刷同步起动发电机的基础。多级式无刷同步起动发电机的带载起动控制和发电调压控制主要由励磁机、旋转整流器和主电机组成的两级式系统实现。单一的对励磁机或主电机进行建模分析无法反映出二者的耦合关系,需要建立囊括励磁机、旋转整流器和主电机的两级式起动发电机联合模型。为了优化系统稳态和瞬态运行状态下电机模型精度,本文考虑磁场饱和以及主电机阻尼绕组因素影响,建立了一种基于VBR模型的同时考虑凸极因子变化和阻尼绕组影响的多级式起动发电机联合模型。通过与有限元模型的对比分析表明,所建模型提高了系统在稳态和瞬态过程中的仿真精度,验证了模型的有效性,对深入进行航空多级式无刷同步起动发电机的仿真分析具有重要意义。