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。     

涡产生器倾角对换热器内流动与换热特性的影响

为优化涡产生器强化传热的性能,通过改变三角翼式涡产生器的倾角,数值分析了倾角变化对板式换热器通道内流动与换热特性的影响,倾角变化范围为-30°～30°。获得了不同倾角下通道内的纵向涡、涡量分布,换热及阻力特性。结果表明涡产生器倾斜方向对流动与换热的影响不同,存在最佳的涡产生器倾角-10°,使得换热通道内涡产生器强化换热的性能最优;改变倾角可进一步提高涡产生器的强化传热性能,不同倾角对应努塞尔数和热性能评价因子间的最大差值分别达到8.9%和5.7%。     

3D 打印一次表面换热器流动换热性能试验研究

为了研究一次表面换热器的叉流角度和流体流动通道大小对其换热能力及热气压力损失的影响,对不同结构形式的一次表面换热器在各设计工况下的流动及换热特性进行分析,针对3种叉流角度(15°、30°和45°)的大通道和2个小通道(0°和30°)一次表面换热器开展其流动换热性能的试验,试验热气入口温度分别为60、80、100和120℃,热气流量分别为30、40、60和80 kg/h。试验结果表明:不论大、小通道换热器,叉流角度越大,换热器的换热能力越强,热气压降呈递增的趋势;叉流角度同为30°时,小通道换热器的换热能力强于大通道换热器的,但热气压降较大;通道大小对一次换热器流动和换热的影响强于叉流角度对其的影响。借助试验结果对不同叉流角度的一次表面换热器给出热气压降的试验拟合公式,总结了通道大小与换热系数的关系。     

具有边缘倒圆凹陷涡发生器换热性能实验

使用瞬态液晶(TLC)热像传热测试技术,对具有边缘倒圆的凹陷涡发生器局部传热特征和流动阻力进行了实验研究。凹陷边缘倒圆方案有2种:凹陷前边缘倒圆和凹陷边缘全部倒圆。凹陷的投影直径与通道高度比为1.0,凹陷深度与直径比为0.2,实验雷诺数范围为10 000~60 000。实验结果表明,在选取的雷诺数下,相比于光滑通道,边缘无倒圆的常规球型凹陷涡发生器阵列表面对流换热性能提升了约62.0%,相应的摩擦因子也增大了约73.0%。与无倒圆的常规球型凹陷涡发生器相比,边缘全倒圆的凹陷涡发生器换热性能提升了约3.6%,摩擦因子降低了约4.6%;前边缘倒圆的凹陷涡发生器换热性能提升了约11.0%,摩擦因子提高了约5.2%。综合看来,边缘倒圆使得凹陷涡发生器内部表面传热更加均匀;前边缘倒圆的凹陷涡发生器综合换热性能最高,比边缘无倒圆的常规凹陷涡发生器高出约9.6%;而边缘全部倒圆的凹陷涡发生器的综合换热性能比常规凹陷涡发生器高出近4.4%。     

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。     

超声速来流下混合流动控制射流角度影响数值研究

为探索混合流动控制器对隔离段气动性能影响,对来流马赫数2.0条件下混合流动控制器的控制特性开展了数值模拟研究,着重比较了射流俯仰角和偏航角对流动控制的影响,结果表明:给定射流位置时,俯仰角的变化仅小幅度改变角区低速回流区的轴向位置,但对回流区范围以及角涡强度有较大影响,其中俯仰角取45°和60°时,回流区范围最小;由于微型涡流发生器上方高速流场的冲击,射流俯仰角越大,混合流动控制器形成的流向涡高度反而越低;偏航角取30°时,随着偏航角的增加,隔离段抗反压能力、流场质量先提升后降低,偏航角过大会导致流场的明显不对称,偏航角取45°时的综合性能最优异;采用较小的俯仰角和偏航角可有效降低总压损失。     

三角形涡发生器综合换热性能全局优化和知识挖掘

为了强化布置三角形涡发生器的U型通道综合换热性能,耦合基于子元模型的全局优化算法、三角形涡发生器参数化方法、三维RANS方程求解技术与基于总变差分析的知识挖掘技术,建立了高效的三角形涡发生器综合换热性能优化与知识挖掘方法。在验证本文数值方法正确性的基础上,以综合换热性能最优为目标函数,对布置于U型通道内的三角形涡发生器进行设计优化与知识挖掘。优化后,最优设计的三角形涡发生器诱导产生的下洗涡对的强度和间距增加,使得U型通道的综合换热性能相对提高了14.5%。同时对设计空间进行知识挖掘,筛选对综合换热性能影响显著的设计变量,分析显著变量对目标函数的影响机制。结果表明:三角形涡发生器的高度对通道换热能力和阻力损失的影响最为显著,而三角形涡发生器的宽度对通道综合换热性能的影响最为显著。     

非定常来流压力下基于DMD方法的预冷器换热特性

采用大涡模拟方法对非定常来流压力条件下叉排管束预冷器换热特性进行了研究,同时运用动力学模态分解方法对流场主控流动结构进行了识别,探讨了来流压力周期性变化频率对预冷器内部流动、换热性能和熵产的影响。结果表明:来流压力变化频率对预冷器时均和瞬态换热性能影响均不显著,但当来流压力变化频率增大至流场固有频率950 Hz时,流场发生共振,换热性能发生剧烈振荡;管束壁面剪切层运动和绕流脱落涡结构为主控流动结构,其时空演化过程对瞬时换热性能起决定作用;当流场发生共振时,剪切层的生长和演化与来流速度的脉动密切相关,前排管束的绕流涡脱落周期与来流压力/速度变化周期一致,而壁面剪切层的生长周期则为来流压力/速度变化周期的两倍。此外,叉排管束流场的换热熵产决定于主控流动结构,其时空演化特征与主控流动结构演化规律完全一致。     

具有凹陷涡发生器的网格冷却结构内的流动与传热特性

对一种具有U 形子通道以及凹陷涡发生器的新型网格冷却结构内的流动和传热特性进行了实验和数值计算研究,通过数值计算可以较准确地获得网格冷却结构的传热性能和流阻性能.在数值计算模型得到验证的基础上,还分别对具有U 形子通道和凹陷涡发生器的网格冷却结构,以及具有U 形和矩形子通道的网格冷却结构内的流动和传热性能进行了对比研究.对比研究表明:与矩形子通道相比,U 形子通道结构能够改善子通道底部的流动状况,降低流动阻力,但同时也略微降低了总体传热性能;在U 形子通道壁面上布置凹陷涡发生器能够显著增强底部流动扰动,大幅提高传热性能,但同时也增加了流动阻力.      

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。     

楔形涡流发生器影响高负荷叶栅性能的机理研究

为探究楔形涡流发生器流动控制技术的作用机理,对一低来流马赫数高负荷扩压叶栅开展数值模拟研究。提出在叶片前缘安装涡流发生器的方案,并对比分析了采用涡流发生器前后叶栅性能及通道内二次流结构的改变。研究结果表明,楔形涡流发生器诱导的吸/压力面涡类似于叶片前缘的马蹄涡,卷吸附面层低能流体,提高其抗逆压梯度能力,进而削弱横向流动,抑制角区分离;涡流发生器的强漩涡结构改善了叶栅通道二次流,使得损失重新分布,叶栅-3°到7°攻角范围内的气动性能显著提升,设计点-1°攻角时平均总压损失系数下降8.04%,平均静压系数增大7.75%,5°攻角时平均总压损失系数下降15.87%,平均静压系数增大21.79%。     

纵向涡对矩形通道内湍流流动特征影响的实验研究

本研究用风洞实验对矩形通道湍流边界层内嵌入的涡发生器参数进行了筛选；测量了单个涡发生器沿纵向对双侧壁面近壁边界层流场的干扰特性和通道嵌入涡偶的流动特性。找出了通道内嵌入涡发生器形成对近壁边界层流场干扰的较理想的涡发生器参数和涡偶的布局形式。     

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。      

对涡旋流影响压气机转子性能和稳定性的研究

为研究对涡旋流影响跨声速轴流压气机性能和稳定性的机理,设计了一种叶片式旋流发生器,并对旋流发生器和跨声速单转子进行了联合数值模拟研究。计算结果表明旋流发生器叶片数越少,对涡强度越低;对涡旋流导致压气机总压比、峰值效率、稳定工作范围和堵塞边界流量减小,失速边界流量增大,对涡强度等于60°时峰值效率和堵塞边界流量分别降低1.11%和2.12%,失速边界流量增加4.17%;对涡中的同向涡导致叶尖进口攻角增加,进口相对马赫数减小;反向涡使叶尖进口攻角降低,进口相对马赫数增大;对涡前缘的轴向速度偏低,造成叶尖进口攻角大幅增加,叶尖泄漏流堵塞严重;由于叶尖泄漏流在叶片前缘溢流导致失稳。     

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。     

高压比离心压气机二次流旋涡结构研究

为揭示高压比离心压气机的流动特性,采用数值方法对高压比离心压气机的旋涡结构和流动损失的产生及演变规律进行了研究。根据不同类型旋涡的具体特征,给出了分别适用于受迫涡和自由涡的二次流识别方法,包括截面旋线法和拟定主流的截面流线法。应用给出的二次流识别方法并结合耗散函数,探讨了压气机内旋涡的形成机理以及旋涡与损失的关联性。研究表明:当涡量与截面法矢量夹角的余弦值大于零时,旋线方向与实际气流方向定性一致,否则相反;旋线显示的涡轴方向与截面法矢量夹角大于90°时,识别出的旋涡不存在;刮削涡和泄漏涡既是低能流体的聚集区也是能量的耗散区,是影响离心压气机损失产生及分布的关键因素;诱导轮尾迹会抑制导风轮流道内叶表通道涡的形成。     

低亚声速和跨声速矩形柱绕流的大涡模拟研究

采用基于非结构网格的有限体/有限元混合格式和大涡模拟的方法求解可压缩Navier-Stokes方程,研究了不同长宽比矩形柱低亚声速和跨声速绕流的流动特性。在雷诺数为22000时,对来流马赫数等于0.1和0.75,截面长宽比分别为1∶1、2∶1、3∶1和4∶1的矩形柱绕流进行了大涡模拟,以研究长宽比和压缩性对矩形柱绕流流场的影响。马赫数为0.1时,Strouhal数随着长宽比的增大先降低再增大然后再降低;长宽比为3∶1和4∶1时会有流动的再附产生;柱体上表面的三维特性在长宽比大时更明显。马赫数为0.75时,Strouhal数随着长宽比的增大逐渐减小;湍流脉动和涡脱落受到抑制;方柱的近尾迹区域,有两种形成机制不同的局部超声速区。     

肋片几何形状对仿螺旋肋片内冷通道流动与换热的影响

利用数值模拟方法,分析了仿螺旋肋片内冷通道在通道宽高比AR=2.9、肋高与通道当量直径比e/Dh=0.336、肋高与通道高度比e/H=0.5、肋片与轴面的夹角β=15°及雷诺数在1×104 to 2×105之间时,矩形肋片和楔形肋片对仿螺旋肋片内冷通道强化传热与流动阻力特性的影响。计算结果表明,仿螺旋内冷通道平均换热系数得到了明显的提高,但同时流动阻力也显著增加。在所研究的范围内,矩形仿螺旋肋片内冷通道的换热强化比要高于同等几何排列条件下的楔形仿螺旋肋片内冷通道,但其综合肋化效率要低于相同几何排列条件下的楔形仿螺旋肋片内冷通道。      

振荡管流换热的解析解及强化换热特性

经求解随时间正弦变化的非定常压力梯度下,管内流体振荡时的运动方程和能量方程,得到了振荡管流换热的速度场、温度场以及当量导温系数的解析解.通过分析可知,影响管内振荡流轴向换热的无量纲参数主要有:无量纲振荡频率,无量纲振幅和流体普朗特数.其中,无量纲振荡频率直接影响流动的速度分布,且随着无量纲振荡频率增加,强化换热效果增强.随着无量纲振幅的增大,管内流动有效导热面积增加,等温面法向温度梯度也增加,使得强化换热效果增强.强化换热效果同样也随流体普朗特数的增加而增强.      

竖直平板自然对流强化换热的实验

研究各种强化换热结构对竖直平板自然对流换热的强化作用.通过比较圆柱扰流、圆锥扰流、三棱柱扰流、三棱锥扰流、四棱柱扰流、四棱锥扰流和直角三角翼纵向涡发生器LVG(Longitudinal vortex gener-ator)等对自然对流换热的强化效果,发现:单种换热结构中直角三角翼纵向涡发生器的强化换热效果最好,组合结构中直角三角翼叉排与圆柱扰流的混合排列换热效果最好,其能将竖直平板自然对流换热效果提高24.%.