涡轮叶片弦中区冲击冷却的模拟实验研究

本文模拟某涡轮叶片弦中区的几何参数 ,对有初始横流、气膜孔按规定压比排气、和受冲击面带有弦向肋片的冲击冷却进行了实验研究。获得具体的流动和换热规律。同时 ,对于受冲击面为弧形、带有肋片及气膜孔排气对冲冷却的影响 ,作了对比实验。并通过液晶显示表明了射孔排列方式、孔靶间距对阵列射流换热的影响。对冷气导流管轴向进气径向喷射造成的射流参数变化也作了实验测量     

半封闭肋化通道射流冲击的实验

运用红外热像测试技术对半封闭肋化通道单排孔射流冲击进行了热像显示实验,揭示出射流雷诺数、冲击间距、肋型排布方式对传热特性的影响规律,并开展了冲击孔流量系数的研究.结果表明:在本文研究范围内,冲击间距与孔径比Zn/d=1时壁面射流区换热效果最好;V型肋化通道在壁面射流区获得了最佳换热效果;冲击孔流量系数随雷诺数增加而变大;在其它工况相同的情况下,V型顺流肋化通道内冲击孔流量系数最大.      

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.      

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。      

多排均布圆孔垂直冲击平板的换热实验研究

对冲击冷却换热作了初步的实验研究和分析，实验中采用了两块冲击孔直径的冲击孔间距均不同的冲击孔板，实验结果表明，横流对冲击冷却换热的影响较大；冲击间距与冲击孔径之比为1.027-2.333的范围内，换热的努氏数随冲击间距的增大而增加；在冲击间距一定时，换热的努氏数随冷却气流流量的增大而增加。     

叶片内外流耦合分析在涡轮导叶开裂排故中的应用

针对航空发动机涡轮导叶开裂故障,通过对故障叶片冲击冷却后腔与主流流动的耦合分析,得出了故障的主要原因:故障部位内腔冲击冷却的冷气流速较低、冷气流量分配不均导致冷却不足,长时间高温工作后,内外壁压差使得叶背区域发生蠕变变形,最终形成鼓包并开裂。通过调整冲击孔径、孔数和孔排布,使得冲击冷气的流量分配更均匀,冲击流速更高,更有效地冷却叶片壁面,减小叶片后腔内外壁压差。初步计算验证表明,该改进措施有效。     

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.      

液晶在冲击冷却研究中的应用

 本文利用胆甾型液晶的温色效应,对孔径d=2.4mm,孔间距比xn/d=5,yn/d=6.67的7×10个射孔的多股射流冲击冷却进行了试验研究。在同一个总射流流量下,当孔排方式为顺排和叉排,孔至靶面的距离Z/d=1.08,2.16,3.25时,热图象显示的结果表明:顺排孔的冲击冷却效果比叉排的好,乳至靶面的距离在Z/d=2.16时的冷却效果最好。同时也获得了多股射流冲击冷却的对流换热系数等值线谱图。     

半封闭通道射流冲击孔流量系数的实验

对半封闭通道射流冲击孔的流量系数进行了实验研究,针对单排、双排冲击孔结构,在变化各种几何参数及流动参数的情况下,较为系统地获得了射流孔展向间距与射流孔直径之比、射流孔流向间距与射流孔直径之比、射流冲击间距与射流孔直径之比、射流孔倾角等因素对于流量系数随射流雷诺数的变化曲线.通过对比分析,讨论了各种因素对流量系数的影响.      

圆直管中离散孔超声速气膜冷却实验

以圆直管中的超声速高温燃气为主流,以常温氮气为气膜介质,用实验的方法研究了离散孔超声速气膜冷却规律,主流马赫数为2,射流马赫数分别为1,2,3.结果表明:射流流量是影响离散孔气膜冷却效果的最主要因素,提高吹风比或者增大孔径,都能显著提高气膜冷却效率;在实验工况下,冷却效率与吹风比和孔径的关系可以总结成实验关联式;射流喉部直径相同、流量相同情况下,射流马赫数对气膜冷却效果影响不大;在气膜孔附近,入射角为30°的射流比切向入射时的冷却效果差,在下流远离气膜孔位置,入射角为30°的射流冷却效果优于切向入射时.      

两股互击式喷嘴雾化性能实验研究

用激光全息及图像处理技术,研究了双股互击式喷嘴的雾化性能。实验发现,喷嘴的撞击夹角增大、孔径比减小、两射流的动量比减小均会使喷雾的破碎长度和液滴直径减小。在初始雾化区域,液膜和液丝的速度与射流的速度基本相同,液滴的运动速度略小于射流速度。通过实验数据的分析整理,获得了喷雾的索特尔平均直径的经济公式。     

低Weber数射流撞击雾化的数学模型

通过分析低Weber数无粘射流撞击形成液膜雾化的特征, 由质量守恒和动量守恒, 并借鉴前人的理论和实验结果, 推导出Taylor心形波作用下计算液膜厚度和形状的近似解析式, 数值计算结果与文献所给实验数据基本吻合一致。结合矩形喷孔形成的扇形液膜的破碎理论, 进一步计算了不同撞击角下雾化形成液滴尺寸的大小及分布。      

两股互击式喷嘴雾化研究及应用

用激光全息及图像处理技术,研究两股互击式喷嘴的撞击状况及雾化性能,获得了喷嘴的雾化性能参数,在喷嘴的水试雾化性能、热试燃烧效率及比冲对比后,提出用水试雾化性能评估其热试效果,检验喷嘴的加工质量。此技术已用于小推力发动机喷嘴的筛选。     

甲烷/空气中对撞射流火焰的实验和数值研究

以甲烷/空气为研究对象,利用YA-16多闪光高速照相机对碰撞射流火焰进行了实验研究。基于带化学反应的二维轴对称Navier-Stokes方程,采用带有Superbee限制函数的波传播算法,对该现象进行了数值模拟。结果表明,对撞前,由于Helmhotz不稳定的作用,射流火焰演变成带有涡环的蘑菇云。碰撞后,在其诱导的流场和涡的作用下,形成的火焰杆的直径基本没有变化,火焰盘则沿着碰撞平面往四周发展,而其厚度逐渐变薄。计算结果和实验照片进行了比较,两者符合得较好。     

横向互击型层板喷注器的喷雾特性

利用激光粒子动态分析仪 (PDA)对 180°互击型层板式喷注器的喷雾特性进行了试验研究 ,测量了喷雾典型区域的液滴速度、直径、体积通量密度等参数。分析了喷注器的雾化过程和喷雾特点 ,同时重点研究了喷口槽宽、推进剂流道面积比以及推进剂喷注速度比等参数对喷雾特性的影响。试验结果表明 :喷雾沿喷口展向可分为三个明显区域 ,中间区域流量较小但雾化较细 ,从槽两端喷出的液雾流量较大但液滴尺寸较大。对于一定的流道截面比γd 和喷注速度比γv,存在一个最佳的喷嘴槽宽w使雾化质量最优。同时 ,在喷嘴槽宽合适时 ,流道截面比γd 和喷注速度比γv 的适当增大有利于改善雾化     

旋转条件下带出流孔的受限空间内冲击换热

以旋转涡轮叶片内部冷却为背景,在旋转条件下对带出流孔的受限空间内冲击换热特性进行了实验研究。在冲击与旋转方向、相反两种情况下,通过改变冲击雷诺数Rej(5 000~10 000)、旋转数Ro(0~0.003 4)、无因次温比(Tw-Tf)/Tw(0.056~0.134)对冲击靶面的平均换热特性进行了研究。研究发现,靶面的换热随冲击雷诺数的增加而变好;旋转对冲击换热的削弱在雷诺数较大时表现更明显;实验参数范围内浮升力对换热的影响较小;离心力、哥氏力等对换热的影响程度与内部空气的流动结构及出流方式有关。     

活塞驱动合成喷流动和传热特性

为了揭示合成喷冲击冷却的内在机制和作用效果,采用数值计算和实验方法分别对活塞驱动合成喷的流动特征和冲击靶板的对流换热特征进行了研究。结果表明,在活塞低频往复驱动条件下,活塞往复频率和活塞振幅的加大导致合成喷的穿透距离增大。与常规连续射流冲击冷却相比,合成喷冲击作用下的靶面对流换热系数同样具有随着冲击间距增大而先逐渐增大、后逐渐衰减的变化趋势,但最佳冲击间距值却明显高于常规射流,而且合成喷对冲击靶板的作用范围有所扩大,表明合成喷具有强的夹带能力和穿透能力。     

微推力与冲击力关系的实验研究

微型推进器固定在测试台架上进行微推力的直接测量,常会受到推进器工质导管等引线的干扰而造成较大的测量误差,甚至无法测量。为此提出用推进器喷嘴对准测力探头喷射,通过测量冲击力来间接获得微推力的思路,研究了微型冷气推进器产生的冲击力与微推力之间的关系。发现采用冲击力测量时,只要测力探头面积足够大,冲击力随着喷嘴与测力探头之间距离变化的曲线会出现一个高平台区,在此区域内所测得的冲击力大小变化不大,而且与真正微推力的大小几乎相等。     

冲击射流流动换热超大涡模拟研究

为了准确预测发动机热端部件中广泛采用的冲击射流冷却复杂的流动和换热特性,发展了基于BSL k-ω模型的超大涡模拟(VLES)高精度模拟方法,并对高雷诺数Re=4×104,两种不同射流距离2和6的单孔冲击射流及三孔冲击射流这一经典的流动传热问题进行三维非稳态高精度数值计算。同时,将分离涡方法 (DDES)和k-ωSST,RNG,Transition SST三种RANS方法的数值模拟和开发的超大涡模拟(VLES)方法进行对比。研究表明,VLES方法均能够准确捕捉冲击射流流场的复杂非稳态流动及传热特征,包括自由射流区、壁面射流区小尺度涡系和大尺度湍流结构的演化和破碎,同时冲击壁面的换热系数计算结果与实验值吻合较好。DDES方法未能准确捕捉流场复杂的小尺度湍流结构,壁面换热计算结果与实验值差异较大。RANS方法计算的换热结果与实验数据差异最大,基本未能预测到壁面换热特性。在相同的计算网格和计算方法下,VLES方法计算结果优于DDES方法,DDES方法一般好于RANS方法。这表明新开发的VLES方法能够准确地计算冲击射流相关的流动及换热问题。     

液体射流撞击液膜振荡行为的实验研究

液体射流撞击过程是液体火箭发动机常见的高效雾化方式。为了进一步探究液体射流撞击雾化过程,采用高速摄像仪和图像处理技术对两股液体射流撞击液膜的振荡行为进行了实验研究,考察了射流韦伯数(21≤We≤1356)和撞击角(2θ=60°,90°,120°)对液膜振荡的影响。结果表明,随着射流韦伯数增大(We250),撞击液膜会从竖直稳定模式转变为振荡模式,促进液膜破裂和雾化。增大撞击角能加剧液膜振荡和增加雾化角。2θ=60°和90°的液膜振荡区间为250We400,2θ=120°的液膜振荡区间为We250,无量纲振幅的时均极大值约为5。结果揭示了随着液体射流速度的增大,射流不稳定性的发展会引起撞击点的动量不平衡,进而形成液膜振荡。此外,液膜向下传播时与空气界面间的Kelvin-Helmholtz不稳定性也促进液膜振荡。