阵列射流-扰流柱复合冷却结构换热和压降特性数值研究

为研究阵列射流-扰流柱耦合换热结构对热端部件综合冷却效果的影响,采用数值模拟方法研究了阵列射流-扰流柱复合冷却结构的流动换热特性,重点关注扰流柱相对于射流孔的布置方式(顺排和叉排)、扰流柱直径d_p相对于射流孔的直径d_j之比(d_p/d_j=0.5,1,2)的影响。为体现阵列射流-扰流柱复合冷却结构的导热-对流强耦合传热过程特征,引入了靶板加热侧当量对流换热系数的概念,并分别采用冲击靶面对流换热系数和靶板加热侧当量对流换热系数进行了综合性能的评价分析。研究结果表明,采用绕流柱顺排和叉排方式的冲击靶面对流换热相较于光滑靶板分别增加约30%和10%,而扰流柱相对于射流孔呈顺排方式的对流换热效果要优于叉排方式,同时,顺排方式的压力损失系数却低于叉排方式。至于扰流柱相对于射流孔的直径比的影响,基于冲击靶面和靶板加热侧对流换热系数的综合性能评价存在显著的差异。     

密集型阵列冲击射流换热特性实验

设计了多种不同几何参数的阵列射流冲击孔实验件,利用红外热像仪对其冲击冷却进行了热像显示实验,获得了冲击射流雷诺数和几何参数对局部对流换热特性的影响规律.结果表明:①对流换热系数随着射流雷诺数R_ej的增加而逐渐增大;②随着孔间距的或者冲击间距的增大,冲击冷却的对流换热效果逐渐减弱;③当孔间距与孔径之比在3～5时,顺排阵列射流的强化换热效果优于叉排,而当孔间距与孔径之比为2时,在阵列射流上游叉排排布的强化换热效果优于顺排,而在下游则顺排排布的强化换热效果占优.      

双层壁冷却结构中多排射流冲击冷却的换热和流阻特性

采用稳态热敏液晶技术对双层壁冷却结构中的多排（包括顺排和叉排）射流冲击冷却结构进行了风洞实验,同时结合数值模拟的方法,对两种射流冲击冷却结构的传热和流阻特性的差异进行了研究。实验结果表明:流量系数和冲击靶板上的努塞尔数均随着雷诺数的增大而增大,而冲击孔的排布方式对面平均努塞尔数的影响较小,但是叉排结构的流量系数高于顺排结构,且冲击靶板上换热更加均匀。数值结果显示冲击靶板中心区域的流量分配和换热均随着冲击距离的增大而增大;而在下游区域内恰好与之相反。      

非均匀横流作用下冲击射流冷却的数值研究

运用数值计算的方法对非均匀横流作用下冲击射流冷却的流动和传热过程进行了三维数值研究,揭示出射流冲击孔和横流孔相对排列方式、射流雷诺数和横流雷诺数相对大小、射流孔中心至横流孔出口截面距离等因素对冲击射流冷却流动传热特性的影响。结果表明:若保持总的冷却流量不变,当横流雷诺数与射流雷诺数之比等于或大于0.5后,有横流时的冲击射流冷却局部努塞尔数比无横流时有较为显著的下降;在非均匀的横流作用下,对于叉排和顺排方式,由于射流和横流的相互作用,壁面温度分布呈现出复杂的特征;射流孔和横流孔呈顺排布置时,峰值努塞尔数所对应的射流驻点区向下游偏移。      

延伸冲击孔冲击冷却流动与换热特性的数值研究

采用数值模拟方法研究了延伸冲击孔冲击冷却系统的冷却特性,分析了3个冲击雷诺数和5个冲击孔延伸长度对冲击腔内流动与换热特性的影响,给出了靶面努塞尔数分布、靶面压力分布、中心截面流速与综合换热性能的变化。结果表明：延伸冲击孔可以有效地防止横流对冲击射流的偏转作用,同时使射流出口更加贴近冲击靶面壁面,冲击速度更高,可以明显提高靶面的换热系数,并使整个靶面上的换热系数分布也更加均匀。冲击冷却的冷却性能随着冲击孔延伸长度的增加而增加,相较于传统冲击冷却（baseline）,在L/d=2.5时靶面平均努塞尔数提升达15%以上,但压力损失也相对较高;对比不同延伸长度冲击孔的综合换热性能,发现存在最佳的L/d取值范围使冲击冷却系统获得最佳的综合冷却性能。在本研究范围内,最佳的L/d= 2.5。     

脉冲爆震燃烧室管壁冲击冷却效果的数值研究

根据实验测量的脉冲爆震燃烧室壁温沿程分布,推算出符合脉冲爆震燃烧室特定频率下的准稳态热流阶梯分布;在此基础上,针对叉排阵列射流冲击冷却的脉冲爆震燃烧室壁面温度分布进行了数值计算.研究表明,由于冷却气流通道端壁效应的影响,靠近爆震燃烧室尾部的射流孔的冲击射流速度较大,热流最大的燃烧室尾部管壁的温度可以得到有效的降低,而燃烧室中部的射流由于受到前排射流形成的横流影响,对管壁的冲击冷却效果较弱,使得壁面温度的峰值向中部转移.在相同的环形冷却通道进口雷诺数下,阵列射流孔宜布置在脉冲爆震燃烧室中部,射流冲击间距比Z_n/d=1.5时,管壁的峰值温度最低而且整体的平均温度最小,较小的冲击孔直径对应的冲击冷却效果较好.      

双排气膜孔冷却热弹耦合特性的分析

利用多场耦合的计算方法,研究了带双排冷却孔的平板气膜冷却热弹耦合特性,系统分析了吹风比、排列方式、流向间距对温度场和热应力场分布的影响规律。研究结果表明,平板内部作用力的方向与孔排展向一致,热应力集中于气膜孔的前缘和尾缘。低温区的位置与吹风比的大小有关,同时低温区的位置也决定了热应力极值的位置。对于顺排布置而言,上、下游射流的相互干扰和冷气流量的分配不均是导致其冷却效果稍差的主要因素。当吹风比小于1.0时叉排布置的冷却效果总体较优,气膜孔内热应力明显较小;但当吹风比增大至1.5时,叉排布置相对于顺排布置的优势明显缩小。增大流向间距有利于均衡上、下游气膜孔的流量,也有利于降低平板的温度梯度和气膜孔内的热应力。     

旋转条件下半封闭空间内多孔冲击平均换热特性实验

通过实验研究了冲击雷诺数Rej、旋转雷诺数Reω、以及冲击孔的排列方式、冲击孔到靶板之间的距离等参数,对旋转条件下半封闭空间内多孔冲击平均换热特性的影响.实验结果表明:随着冲击雷诺数的增大,多孔冲击的平均Nu数显著提高;随着旋转雷诺数的增大,平均Nu数稍有提高,但变化幅度不大;冲击孔的排列方式对平均换热效果也有一定的影响,叉排式稍优于顺排式;并且实验得出,冲击孔到靶板之间的距离为4倍冲击孔直径时多孔冲击平均换热效果最佳.     

半封闭肋化通道射流冲击换热特性的数值计算与实验验证

 运用数值计算的方法对半封闭肋化通道单排孔射流冲击冷却进行了三维模拟,并采用红外热像测试技术对冲击靶面的温度分布进行了实验研究,揭示出各种流动参数和几何参数对冲击射流传热特性的影响规律。研究结果表明：数值计算与实验特征基本吻合;冲击间距对肋化部分的换热影响较大,在本文研究范围内,Z-n/d=1时壁面射流区的换热效果最好;由于产生了两个方向的二次流,V型肋化通道在壁面射流区获得了最佳换热效果。     

前缘射流对涡轮导叶吸力面多排气膜孔冷却特性的影响

为了研究前缘射流对吸力面多排气膜孔下游冷却特性的影响,在跨声速风洞中进行了实验并采用热电偶获得了气膜冷却效率和换热系数。叶栅进口雷诺数的范围为2.0×105 ~ 4.0×105,出口等熵马赫数为0.95,叶栅前的湍流度小于5%。前缘布置6排对冲圆柱孔,质量流量比的范围为2.00% ~ 3.71%,吸力面布置4排圆柱孔,质量流量比的范围为2.02% ~ 3.74%。实验结果表明：在没有前缘射流时,吸力面的气膜冷却效率随质量流量比增大先升高后下降,存在前缘射流时,质量流量比对气膜冷却效率的影响较小。对所有的工况而言,质量流量比增大都提高了吸力面的换热系数。相比于没有前缘射流的工况,前缘射流显著提高了吸力面孔排附近区域的气膜冷却效率并略微降低了换热系数;在吸力面后半段,前缘射流显著提高了换热系数而对气膜冷却效率影响较小。总的来说,前缘射流改善了吸力面孔排附近区域的冷却效果,但是恶化了吸力面后半段区域的冷却效果。     

冲击孔对层板冷却叶片前缘传热影响的数值研究

根据典型涡轮导向叶片型面和边界条件,对简化的层板冷却叶片前缘的流动和传热特性进行数值研究.考察了两种冲击孔与气膜孔和扰流柱的孔阵排布方式、两种冲击孔轴线与靶面的夹角设置方式对叶片前缘换热的影响,计算中采用re-normalization group(RNG)k-ε湍流模型.结果表明:在气膜孔、扰流柱排布一定的条件下,不同冲击孔的模型的冷却流量相差不到1%.冲击孔数目越多和孔径越小的模型的靶面表面传热系数越高;叶片前缘表面的冷却效率越高,提高约2%.在同一种冲击孔孔阵排布方式下,冲击孔轴线和靶面的夹角对流阻和叶片前缘的换热影响不大.      

Numerical Study of Flow and Heat Transfer Characteristics of Impingement/Effusion Cooling

Three-dimensional numerical simulation is carried out to investigate the flow and heat transfer characteristics of impingement/effusion cooling systems. The impingement/effusion holes are arranged on two parallel perforated plates respectively in a staggered manner. Every effusion hole has an inclined angle of 30° with respect to the surface. The two parallel plates are spaced three times the diameter of the effusion hole. The ratio of center-to-center spacing of adjacent holes to the diameter of the effusi...     

大弯管冲击/发散冷却特性的数值计算与分析

采用Fluent 软件对大弯管多方案冲击/发散冷却特性进行了流固耦合传热计算,得到了不同方案的壁温和综合冷却效率的分布规律,并开展了大弯管壁温试验。结果表明:①流量系数和总压损失系数与当量流动面积有关,当量流动面积相同时,各方案的流量系数及总压损失系数相差不大;②在当量流动面积相同的条件下,增加发散孔开孔面积、减小冲击孔开孔面积对提高综合冷却效率有利;③发散孔及冲击孔的排布形式会影响综合冷却效率,在孔数、孔径、开孔面积均相同的条件下,六边形排布优于菱形排布。      

致密孔阵气膜冷却绝热温比和对流换热系数的数值研究

采用数值模拟方法研究了气膜孔叉排方式下孔间距和吹风比对致密孔阵气膜冷却绝热温比和对流换热系数的影响.结果表明:减小相邻孔间距与孔径比或增加吹风比,平均壁面温度就越低,且温度分布更为均匀,绝热温比提高,热侧壁面平均换热系数也随之增大;相对于增加气膜孔阵的密集程度而言,吹风比的增加所带来的绝热温比改善和对流换热系数增加幅度略有减弱.特别是当吹风比大于1以后,吹风比的影响程度比较微弱.      

半封闭通道射流冲击换热特性的实验

运用红外热像仪测试技术对半封闭通道单、双排孔射流冲击冷却进行了热像显示试验,总结了各种流动参数和几何参数对局部换热特性的影响规律:对于单排垂直射流,冲击冷却效果随冲击雷诺数的增加、孔间距与直径比的减小而得到提高,冲击间距比为2时换热效果最好;冲击孔中心线向通道封闭一侧倾斜后,射流冲击冷却的范围变窄,当冲击间距比大于2时驻点区的对流换热能力明显降低;对于双排冲击射流,在较小的冲击射流雷诺数和较大的冲击间距比下,后排射流的冲击换热效果要逊于前排射流。      

冲击加多斜孔双层壁对流与冲击换热优化研究

对冲击加多斜孔双层壁孔内对流和冲击换热这两部分冷却达到最大进行了优化.冲击加多斜孔双层壁结构中单位面积冲击孔数量和多斜孔数量比为1∶3, 多斜孔倾角为30°.本优化属于混合约束优化, 采用序列无约束极小化方法进行优化.通过计算分析, 得出了在冲击加多斜孔双层壁在压力降和单位面积冷却气量一定条件下的优化结果, 存在冲击换热和多斜孔内换热的最佳分配, 该结果对指导冲击加多斜孔双层壁设计有指导意义.      

窄通道内冲击冷却局部换热特性的瞬态液晶测量

 为了深入了解涡轮叶片中冲击窄通道内的换热特性,采用热色液晶瞬态测量技术测量了冲击窄通道内全表面换热系数,获得了不同冲击雷诺数Re、相对冲击孔间距S/d以及有无气膜孔出流时通道内各表面的换热系数分布规律。结果表明：冲击通道内各个面的换热系数均随雷诺数的增加而增加,其中冲击靶面的平均换热系数最大,在雷诺数较大时,冲击面的平均换热系数要比冲击侧面的大;气膜孔出流和相对冲击孔间距增大均会使冲击侧面和冲击面的平均换热系数明显减小,而对冲击靶面平均换热系数的影响却较小;各个面上受气流直接冲击的区域换热系数最大,同时冲击孔和气膜孔附近区域的换热系数也很大。