U形竖管内超临界甲烷传热异常行为机理研究

针对航空发动机的空气预冷系统U形竖管超临界流体传热异常问题,对超临界压力甲烷U形竖管内传热行为进行了数值研究。探究了热流密度、质量流量和运行压力对换热的影响,从超临界甲烷管内温度、速度、流动状态及无量纲数变化出发,阐述了超临界甲烷在U形管内异常传热现象形成的机理。结果表明,在较高热流密度(95k W·m^-2)下,浮升力导致的自然对流是上升直管段内传热恶化的主要原因,运行压力的升高抑制了物性变化,促进了传热恶化向正常传热方向恢复。弯管段内的二次流使混合对流转变为强制对流,二次流形成的迪恩涡改善了径向温度分布不均匀性,强化了弯管段及其后续直管段的传热,且在弯管顶部位置传热的强化作用最为显著。     

浮升力对双旋转轴间流动换热影响的数值模拟

利用Boussinesq假设，采用混合长度模型，对具有轴向通流的双旋转轴间的流动换热进行了数值研究，得到了轴间气体充分发展段的速度分布、温度分布和加热边的对流换热系数，其结果在实验模型参数范围内与PfitzerH的实验研究符合较好。在此基础上，进一步数值模拟研究了同向等速旋转双轴间不可压流的离心浮升力对流动换热的影响，结果表明：离心浮升力对流动换热的影响取决于浮升力与惯性力之比GrB/Rex^2。当GrB/Rex^2≥24时，浮升力的影响十分显著，不可忽略。     

航空发动机主燃烧室燃油总管流动换热特性研究

为优化发动机燃油管路设计并预防燃油结焦,对发动机典型工况下燃油总管和分管内部流动进行了数值研究,给出了速度和压力分布情况。对由于热气流的加热作用引起的燃油温升效应进行了传热计算。对总管及分管进行了热防护设计,并比较了不同热防护措施的隔热效果。结果表明:在计算工况下,油管出口质量流量满足设计要求;内外混合隔热方式可有效降低燃油温升,减小燃油过热引起结焦的可能性。提出了改善管内流动与换热特性的措施,例如增加空气隔热层,为恶劣热负荷条件下燃油管路热防护设计提供理论基础。     

U型再生冷却通道内超临界航空煤油换热特性数值模拟

为了解决航空发动机的高温热防护问题,通过RNG k-ε湍流模型开展了U型再生冷却通道内超临界压力RP-3航空煤 油换热特性数值研究。探究了进口参数、固壁热导率、壁面粗糙度对换热的影响机制。基于流场和温度场揭示了换热特征和换热 机理,通过离心力参数讨论了其作用机制,阐述了二次流对换热的影响,提出了换热关联式,其预测偏差处于±20%以内。结果表 明：上游水平通道和下游水平通道受非对称加热作用产生弱二次流,弯通道受离心力作用产生强二次流,高温区近壁流体吸热能 力降低造成传热恶化,最高壁温约为935 K;离心力促使热流产生显著的周向迁移。在高进口温度下传热恶化起始位置提前到弯 通道,加剧了离心力作用,使热流迁移增强。提高固壁热导率和壁面粗糙度,换热均增强,对离心力影响可忽略。     

航空发动机整机空气系统流动与传热数值模拟

为了研究航空发动机整机空气系统内流动与传热特性,以涡扇发动机整机空气系统为研究对象,分析了发动机真实状况下空气系统内的流动与传热特性.采用Mixture多相流模型进行数值计算,得到了该系统的速度场、压力场和温度场.结果表明:该系统内的流场是复杂的多涡流场,多个出口出现燃气倒灌;整个系统的腔压从前到后大致逐渐升高;由于主...     

航空发动机高压旋转涡轮盘腔流动与换热

在同模型实验参数范围内，且数值解和实验解基本吻合的前提下，对发动机原型参数进行数值模拟，求解了旋转系下流体流动与换热微分方程组，通过对气体域和固体域进行共扼计算，并将动量方程与能量方程福合求解。结果表明利用低参数下实验数据支持的数值计算程序对真实参数的模拟是合理的，对于复杂的非线性现象，数值外推法比传统实验外推更加准确。     

航空发动机燃烧室喷嘴内燃油传热特性的数值研究

采用数值模拟方法,研究航空发动机燃烧室喷嘴内燃油的传热特性:使用三维建模软件对喷嘴进行精细的几何建模,喷嘴模型包括旋流器叶片和隔热套管等细节特征;采用商业CFD软件对比研究不同喷嘴内燃油的传热特性,确定喷嘴隔热套管的隔热效果。结果表明,在所给工况条件下,隔热套管能减少喷嘴杆部温升约50%,对主油路温升的抑制作用随着主油路流量的增加而逐渐减小,对副油路燃油温升的抑制作用比较明显且基本不随主油路流量变化。工程算法和数值模拟计算的喷嘴出口燃油温度之间相差明显。     

双U形管束换热器压降和热效率模型实验

在低速风洞上实验研究了双U形管束换热器压降特性以及热效率,着重对比了U形管截面形状和换热器安装角的影响.结果表明:在相同的U形管管内平均速度下,椭圆管换热器的管内压降高于圆管换热器,在较高的管内平均速度下两者的差异更为明显;对于外部流动,换热器安装角增大所诱导的外部流动压降显著增加,在较小的换热器安装角下,椭圆管换热器的管外压降略大于圆管换热器,而在较大的换热器安装角下,椭圆管换热器的管外压降则显著低于圆管换热器;安装角为30°的换热器传热系数较安装角为10°时可以提高约50%,在密流比为0.4时,椭圆管换热器的热效率相对于圆管换热器约有6%的增加.      

U形渠道机翼形量水槽水跃数值模拟与试验研究

量水槽是灌区常见的特设量水设备,而槽后水力特性是判断其选型是否合理的重要指标之一。以某小型灌区末级灌溉渠系改造工程为原型,针对两种不同工况,采用基于TruVOF方法跟踪自由液面、Favor技术实现网格优化的湍流数学模型,对U形渠道机翼形量水槽水跃问题进行三维数值模拟,分析了水跃的时均流场、共轭水深、发生位置、跃长、断面流速分布以及水跃段能量损失等相关水力特性。采用与原型1：1比尺的水工模型试验资料对模拟结果进行验证,结果表明,二者吻合较好。通过对实测与数值仿真的共轭水深数据进行统计分析,得到了适用于U形渠道机翼形量水槽水跃共轭水深的近似计算公式。研究结果对机翼形量水槽在平原缓坡灌区末级渠系的应用研究提供了一定的参考和建议。     

非定常尾迹对涡轮叶片换热影响的数值模拟

通过引入非定常尾迹诱导过渡的时间平均间歇因子的概念,提出常规过渡的起始点位置和尾迹诱导过渡起始点位置的算法,实现了对非定常尾迹影响下涡轮叶片上时间平均换热的数值模拟。结果显示,无论在叶片吸力面还是压力面,计算与实验符合均很好。     

指式封严结构中气流流动与传热特性分析

研究了指式封严结构中气流流动与传热特性。将封严组片区域视为多孔介质,以摩擦热为热源,建立计算模型。计算结果表明：封严区域最高温度出现在指尖靴后部与转子摩擦接触面;在压差和转速一定时,封严区域最高温度随安装过盈量的增大而升高;在过盈量和压差一定时,最高温度随转子转速的增大而升高;但随着压差的增大,结果与之相反。研究结果可为指式封严的结构设计和接触副材料选择和安装方式提供参考。     

高压涡轮后腔流阻特性与瞬态换热试验研究

在航空发动机二次流系统中,涡轮盘腔的流动和换热问题伴随着复杂的几何、流动及热边界条件,为探究其流场和换热特性对发动机设计的重要作用,对一具有预旋进气孔和高、低半径出口的高压涡轮后腔内的流阻特性和转盘盘面的换热特性进行了试验研究,主要应用瞬态液晶测试技术对转盘表面的对流换热特性进行了测量。在试验中,旋转雷诺数Re_ф变化范围为8×10~5~1.0×10~6,无量纲二次流量(流量系数)C_W变化范围为5.29×10~3~1.19×10~4。试验结果表明:腔内压力及流阻特性受进气流量C_W和转盘转速Re_ф的影响;转盘表面的换热随着半径的递增以及预旋比β_p的增大而增强;出口湍流参数λ_T对换热特性影响很小。     

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。     

矩形通道内扰流柱形状对流动和换热特性影响的研究

利用试验和数值模拟两种方法对装有圆形、椭圆形和水滴形三种叉排扰流柱阵列矩形通道内流动和换热过程进行了研究,获得了通道内流场、压力场以及壁面温度场的基本特征,并对其强化换热特性和压力损失特性进行了对比分析。结果表明:装有水滴形扰流柱阵列的矩形通道压力损失分别为前两者的51%和95%,而恒热流壁面的平均对流换热系数相对于前两者而言分别降低了20%和7.9%,压力损失降低的幅度明显高于强化换热的减弱。综合性能评估表明,水滴形扰流柱是一种具有较好综合性能、替代常规圆形扰流柱的理想结构。     

不同直径及形状的短扰流柱群的流阻及换热

采用放大的模型对装有五排短扰流柱的涡轮叶片尾缘的冷却通道的流阻特性及通道端壁表面上的局部换热系数进行了测量 ,重点研究了扰流柱直径及形状的影响。结果表明 :(1 )扰流柱直径越大 ,压力损失系数越大。在相同条件下 ,圆柱形扰流柱排的压力损失系数要大于圆锥形扰流柱排的压力损失系数 ;(2 )圆柱形扰流柱排内的换热强化系数的增长速度比圆锥形扰流柱排要快 ,而且达到的最大值也较大。扰流柱直径越大 ,在相同的局部位置处换热强化系数越大 ;(3 )当扰流柱直径增加时 ,其阻力的上升要比换热的上升快的多。与圆柱形扰流柱相比 ,锥形扰流柱更有利于增强换热或减小流阻     

单孔冲击式帽罩前缘流动换热特性数值分析

为了提高航空发动机帽罩冲击防冰结构的设计分析水平,对单孔冲击式帽罩前缘结构的流动换热特性进行数值研究,分析了不同冲击孔径与不同冲击雷诺数对帽罩前缘速度流场、换热系数与努塞尔数的分布规律。结果表明:在冲击雷诺数一定的条件下,冲击孔径越大,射流核心速度和前缘壁面附近的气流速度越小,前缘冲击区形成的涡流团越大,当孔径D=6 mm时,小孔径冲击下前缘区整体换热效果不如大孔径的,而在滞止区的换热效果则要优于大孔径的;当D>12 mm时,孔径大小对壁面换热基本没有影响;在冲击孔径相同时,增大冲击雷诺数使得冲击射流、前缘壁面附近及侧壁曲面通道内的气流流速增大,冲击区内的涡流团则逐渐减小;冲击雷诺数的增大也增强了前缘冲击区的换热特性。     

交错肋结构形式对换热和流阻特性的影响试验研究

通过试验,研究了不同结构的交错肋对换热及流阻特性的影响。试验结果表明:努塞尔数和流阻系数,随着肋宽的增大而都增大,随着肋间距的增大而都减小,随着肋倾角的增大而都增大。综合换热效果为1.3~2.5。     

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。     

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。