层板结构冷却有效性的研究

基于一维多孔材料内传热理论,建立层板冷却的理论模型,应用由实验获得的各种层板结构的流阻和换热特性,由层板两侧的压差估算通过层板的冷气流量和层板结构的冷却有效性。对影响层板冷却有效性的因素进行分析,为层板的设计起到指导作用。在相同吹风比下,双层层板要比单层层板冷却有效性高,而三层层板与双层层板之间的差别不大。通过与传统气膜冷却方式的比较,可以发现,层板冷却具有以较少的空气达到较高的冷却效果的巨大潜力。      

典型层板冷却结构中流体流阻与换热特性的实验

对进气孔、扰流柱和出气孔个数之比为1:4:1的典型层板冷却结构的流体流阻与换热特性进行了实验研究.结果表明, 对于进、出气板间距不大的层板模型, 出气板内表面的换热系数最大, 扰流柱表面的换热系数次之, 进气板内表面的换热系数最小.对不同层板模型的比较表明, 相同流量下随着进气孔直径的增大, 流阻系数增大, 进气板内表面的换热系数变化不大、出气板内表面的换热减弱;随着出气孔直径的增大, 流阻明显减小, 进气板内表面的换热减弱, 出气板内表面的换热变化不大;随着出气孔倾角的增大, 流阻增大, 进气板内表面的换热增强, 出气板内表面的换热变化不大.      

层板推力室发汗冷却壁温特性的初步研究

对液体火箭发动机发汗冷却层板推力室的壁温特性进行了初步研究,通过建立一维固液耦合温差模型,利用有限体积法,计算得到沿推力室径向层板固体和冷却剂的温度分布,并对影响壁温特性的各种因素进行了计算分析,包括冷却剂流量、层板导热系数和冷却通道尺寸等.结果表明:冷却剂流量是控制层板结构温度的重要参数;层板应该采用一种导热系数适中的材料,过大或过小导热系数的材料都不利于推力室的整体性能;较大的冷却通道宽高比有利于层板向冷却剂导热;冷却通道内的换热效率与冷却剂流量和层板导热系数有关.      

多孔层板冷却有效性的研究

在大尺寸低速回流风洞中对应用于涡轮叶片的2种绕流结构4块单双层多孔层板进行了流阻特性和冷却有效性的实验研究,结果表明多孔层板有很高的冷却有效性,流阻的大小和冷却有效性的高低主要取决于多孔层板的开孔率,开孔率越大,流阻越小,冷却有效性越高。本文所设计的层板结构参数和试验结果对层板在航空发动机涡轮叶片中的应用有参考价值。      

利用红外技术进行层板冷却特性实验研究

为了研究层板冷却特性,应用远红外热像测温技术,对一个真实尺寸的层板结构进行了实验.层板的气膜孔、绕流柱及冲击孔直径分别为0.,0.8,0.8 mm,内腔高及总板厚分别为0.8,2.6 mm,孔柱数比为1:4:1.为了准确测量表面温度,采用了高精度热电偶校正法,建立修正关系;为了描述层板综合冷却效率,采用热像数字信号运算法,直接进行数据处理.实验在高温亚声速风洞中进行,实验结果展示了冷却介质注射量对层板冷却特性的影响,证明远红外热像技术用来研究层板冷却特性是一种有效的方法.      

收缩-扩张形气膜孔提高气膜冷却效率的机理研究

为了揭示收缩-扩张形孔提高气膜冷却效率的机理,选择了两种典型的气膜孔:圆柱形孔和扇形孔,进行了数值模拟对比研究.湍流模型选取Realizable k-ε模型,壁面函数采用增强壁面函数.结果表明:圆柱形孔射流法向动量很大很集中,生成了较强的耦合涡,冷却效率最低;扇形孔减弱了射流的法向动量,并产生了一定的展向速度,冷却效率得以提高;收缩-扩张形孔减小了射流的流向厚度,增大了射流的展向宽度,且产生了更大的展向速度,扩大了射流的覆盖区域,形成了与圆形孔及扇形孔射流相比作用相反的耦合涡,使气膜更好地贴附于壁面,气膜冷却效率高于其它两种孔形的效率;相对于圆柱形孔和扇形孔,收缩-扩张形孔的平均气膜冷却效率,在吹风比为0.5时,分别提高了约110%和15%,在吹风比为2时,分别提高了约560%和60%.      

带三角形突片气膜冷却结构换热特性的数值研究

运用RNG k-ε湍流模型对带平行于冷却壁面、且覆盖部分气膜孔的三角形突片气膜冷却结构,在不同吹风比和突片几何参数下的换热特性进行了研究。结果表明:在吹风比小于1时,突片对提高气膜冷却有效温比和增强换热的作用不大;当吹风比大于1时,突片对于提高气膜冷却的有效温比和换热增强比具有显著的作用,而且随着突片尺寸的加大,气膜冷却有效温比和换热增强比的提高幅度越大。      

填充比对层板结构换热特性影响规律研究

针对3种层板冷却结构,通过改变填充比得到了其冷却效率。数值模拟和计算分析发现,随着填充比的增大,绕流柱面及靶面的对流换热能力变化很大,进气板面及进出气孔壁的对流换热能力变化较小,层板结构的冷却效率单调增大。试验结果表明:在层板设计中,应适当增大填充比来获得较优的换热特性。     

轴对称喷管与圆转方喷管冷却换热特性的比较

为了解和比较轴对称喷管与圆转方喷管不同的再生冷却换热特性,分别对轴对称喷管(推力室)与圆转方喷管(推力室)建立计算模型,通过数值模拟的方法重点研究和比较了轴对称喷管与圆转方喷管的流场、壁面热流密度和温度分布、冷却剂温升和冷却通道压降等换热特性.计算结果表明:圆转方喷管由于型面不连续,在转方位置后壁面出现了温度和热流密度的峰值,从而导致沿周向壁面温度和热流密度的分布也不均匀.      

层板结构内部换热特性的研究

 在已研究流阻特性的基础上,通过改变扰流柱柱高、柱形,对两种类型结构的层板进行内表面换热系数的测量、分析。层板内表面上的换热系数随冲击距离的减小而增大,随冲击孔间距的增大而减小。方形扰流柱的换热情况要稍好于菱形扰流柱、圆形扰流柱,并且柱子高低对流场影响很大,尤其是C 型绕流方案。基于换热体积和换热面积之比特性尺寸的努谢特数与冲击雷诺数之间成对数线性关系,并整理出准则关系。     

层板结构内部流场数值模拟研究

 在已经研究的层板换热特性的基础上,通过对层板结构内部流场的数值模拟研究,有助于理解层板内部复杂流动的情况,从而揭示层板内部换热强弱的机理。根据B、C两种类型结构的层板研究表明:在扰流柱柱面附近区域速度最大,这有利于热交换;扰流柱柱高的改变对流场影响较大,而且对换热也带来明显的影响。将数值模拟结果与实验进行对比发现,数值模拟换热系数的分布规律基本与实验相一致,误差也在可接受的范围内。     

有预旋进气转静盘腔中的流动和换热特性数值研究

运用RNG湍流模型对有静盘外缘预旋进气和轴向中心进气、转盘外缘轴向出气和外围屏径向出气的转-静盘腔中流动和传热过程进行了数值研究。在盘腔结构中,静止内隔片和旋转内隔片将盘腔分为内转-静盘腔室和外预旋腔室。由于盘腔流动结构具有周向周期性,取盘腔的1/30作为计算域。研究发现:旋转雷诺数Re_θ、预旋喷嘴进气无量纲流动速度C_w,_p、静盘中心轴向进气的无量纲流动速度C_w,_d和预旋比β_p都不同程度地影响盘腔内流动和换热。预旋和隔片的协同作用可以很好地起到阻止热燃气入侵转-静盘腔和提供低静温冷却气体流入涡轮叶片冷却通道。      

超声速气膜冷却数值模拟

应用SST k-ω湍流模型,对三维粘性掺混流场进行了数值模拟,得到了切向入射的超声速气膜在不同吹风比和冷却通道下的绝热温比分布.计算结果表明:吹风比是决定超声速气膜冷却效果的重要因素,吹风比增大,冷却效果随之提高;冷却通道不同,冷却效率的分布规律也不同,矩形孔在出口处存在冷却效果较低的区域;离散孔冷却通道在下游和冷却通道中间线上的冷却效果存在明显差异,侧向倾角的引入使这种差异消失;扩散孔和侧向倾角两种结构上游冷却效果好,但下游衰减更快;引入的评价参数可以为比较不同的气膜冷却方式提供参考.      

侧壁有出流孔的通道流场数值模拟

用商业CFD软件(Fluent6.0)对简化后的涡轮叶片冷气通道进行数值模拟,着重研究出流孔上、下游各通道截面内的流动规律。结果表明:出流孔的抽吸作用,使得通道有孔一侧的气流速度相对较高。孔上游通道内的气流,沿主流方向逐渐加速;流经出流孔后,通道内的流速急剧下降,甚至会出现局部低速区。计算结果与实验测量结果符合很好,表明可以利用成熟的CFD商业软件研究该类流动现象。      

利用楔形突体结构改善气膜冷却效率的数值研究

在倾斜圆柱形气膜孔中加装一种特制的楔形突片结构,可以改善气膜孔下游平均冷却效率,本文对此进行了数值研究。研究结果表明:突片的高度对冷却效率影响不大;在大吹风比下突片对冷却效率的提高起显著作用;突片的存在使气膜孔下游壁面得到了很好的保护。随着突片边长增大,平均冷却效率提高。     

轴向通流旋转盘腔内换热的数值模拟

以数值模拟的方法,采用旋转坐标系稳态方程,研究了轴向通流旋转盘腔内的换热。主要讨论了流动对换热的作用以及旋转系下各力对换热的影响,给出了盘腔内的换热随各无量纲参数的变化规律。研究结果表明:哥氏力的增大削弱了轴向通流旋转盘腔内的换热,惯性力和浮升力的增大增强了换热;反映在无量纲参数上,随着进口雷诺数的提高,盘腔内的换热增强;随着瑞利数的提高(提高转速),盘腔内的换热经历一个缓慢变化-突增-缓慢变化的过程,换热的突然增强是冷气流穿透盘腔所致。      

变物性与热辐射对发汗冷却过程的影响规律研究

采用两层k-ε湍流模型对高温条件下有发汗冷却时的矩形槽道内湍流流动和换热进行了数值模拟。计算结果表明:随着冷却气体流量的增加,在发汗冷却壁面附近主流气体的温度梯度大大减小,壁面温度、局部对流换热系数都迅速下降;变物性条件下同时考虑热辐射时数值计算得到的平均St相对值St/S_t0随修正注入率F/St0的变化比已知的常物性条件下的值小;随着高温气体温度的上升,变物性和热辐射对与高温流体接触的表面温度有较大影响,热辐射对壁面温度的影响比变物性更大,而对流换热系数所受的影响不大;当主流为高温气体(如:2500K)、而壁面温度较低时(如:800K)热辐射的影响不大,发汗冷却效果仍然很明显。      

Internal Heat Transfer Characteristics of Lamilloy Configurations

A transient measurement technique by using narrow-band thermochromic liquid crystal （TLC） is employed to determine temperature and heat transfer coefficient （HTC） distribution on inner surfaces of the typical lamilloy configurations. With this technique, both local HTC distribution and average HTC distribution could be obtained. The experimental results indicate that the variation of the porosity ratio, the one that the area of impingement holes divided by that of the plate, has a great effect on the HTC distribution on the inner surfaces. Heat exchange of inner surfaces varies directly as the porosity ratio. The impingement Reynolds number ranges from 20 000 to 50 000. The average HTC of inner surfaces bears a linear relationship with the Reynolds number.