旋转U型通道流动与换热特性的数值研究

应用k-ω SST（shear stress transport）湍流模型,计算分析旋转U型通道在不同进口雷诺数（10000~60000）和高旋转数（0~2.013）范围内的流动与换热特性.结果表明:在静止和旋转状态下,进口雷诺数越大,努塞尔数越大.相比于同一工况下的静止状态,旋转显著增强了径向外流直通道的换热强度,径向内流直通道换热强度增大不明显.旋转数对U型通道换热的影响主要通过改变哥氏力和浮升力的大小.受哥氏力的影响,径向外流直通道后缘面换热增强,前缘面换热减弱.浮升力诱发了近壁面的流动分离,使得径向外流直通道前缘面不同位置处的换热强度随旋转数的增加而先减小后增大,计算得到的临界旋转数变化规律与实验测量结果保持一致,即无量纲距离参数与临界旋转数的乘积为定值.      

旋转作用对带肋回转内通道换热特性影响

为了深入了解旋转作用对回转内通道换热特征的影响,采用三维数值模拟方法研究旋转数、旋转半径对带肋内通道模型的流动换热影响。通道入口雷诺数为1.7×104、旋转数范围为0～0.09,出口1、出口2、出口3的质量流量分配比为1∶2∶1,旋转半径与水力直径之比的范围为0～69.6。结果表明:旋转作用力使径向出流通道的压力系数逐渐增大,径向入流通道的压力系数迅速减小;径向出流通道后缘面的努赛尔数(Nu)随旋转数增加而增大,径向入流通道后缘面的Nu随旋转数增加而减小,前缘面Nu随旋转数变化情况相反;前、后缘面Nu沿流向均随旋转半径与水力直径比的增加略有增大,旋转半径变化对壁面换热影响较小。     

旋转条件下超临界压力正癸烷径向入流时的对流换热

针对超临界压力流体在发动机涡轮叶片再生冷却技术中的应用,对超临界压力正癸烷在旋转状态下的径向入流管内对流换热和流动进行了研究,分析了哥氏力、浮升力与流动加速对换热的影响规律,提出了适用于旋转条件下超临界压力流体对流换热的同时考虑重力浮升力与旋转浮升力的浮升力无量纲准则数。研究表明：高转速条件下（500r/min以上）,浮升力主要由离心力产生且处于强化区,增强对流换热;流动加速主要由压降产生,削弱对流换热;浮升力、流动加速、哥氏力均随转速增大而增大,共同作用下对流换热也随转速增大而增大。1500r/min下平均Nu数约是500r/min的1.5倍,约为静止的2～4倍。     

旋转条件下超临界压力正癸烷径向入流时的对流换热

针对超临界压力流体在发动机涡轮叶片再生冷却技术中的应用,对超临界压力正癸烷在旋转状态下的径向入流管内对流换热和流动进行了研究,分析了哥氏力、浮升力与流动加速对换热的影响规律,提出了适用于旋转条件下超临界压力流体对流换热的同时考虑重力浮升力与旋转浮升力的浮升力无量纲准则数。研究表明:高转速条件下(500r/min以上),浮升力主要由离心力产生且处于强化区,增强对流换热;流动加速主要由压降产生,削弱对流换热;浮升力、流动加速、哥氏力均随转速增大而增大,共同作用下对流换热也随转速增大而增大。1500r/min下平均Nu数约是500r/min的1.5倍,约为静止的2～4倍。     

温度比对旋转直肋双通道换热特性的影响研究

为了研究旋转涡轮叶片内部冷却通道的换热特性,将叶片内冷通道简化为带90°直肋的旋转双流程方通道,通过旋转加热实验的方式研究了温度比对旋转直肋双通道换热特性的影响。实验进口雷诺数范围为1×104~5×104,旋转数范围为0~2.02,实验平均温度比分别为0.11,0.16,0.20。研究结果表明,与光滑通道实验数据相比,90°直肋削弱了旋转对换热的影响,同时破坏第二通道后缘面附近的不稳定二次流,造成后缘面换热弱于前缘面;温度比是通过改变冷却空气物性与通道内浮升力对旋转通道换内热特性产生影响,温度比的提高引起的物性变化对通道换热具有削弱作用,静止情况下温度比0.20对应的换热与温度比0.11相比,被削弱程度可达16%,而浮升力对换热具有增强作用;低旋转数下,由温度比引起的浮升力作用与物性作用相互中和,高旋转数下温度比的增大对通道换热特性的增强作用更加明显,并且第二通道换热特性受温度比变化影响较第一通道小。     

高旋转数下直肋U型方通道的换热特性研究

通过提高U型通道气体压力到500kPa以上,将实验雷诺数Re和旋转数Ro范围分别扩展到10000～70000和0～2.0,从而匹配真实发动机转子叶片的工作条件。在此基础上实验研究了高旋转数下带直肋的、方形截面的U型通道的换热特性。研究结果表明:第一通道前缘面的努塞尔数比随旋转数的增大先下降后增强,该临界旋转数为定值Roc=0.26;随着旋转数的增大,第二通道前缘面的努塞尔数比一直高于后缘面,与光滑通道中的换热规律不同;随着旋转数的增大,第二通道内外侧面努塞尔数比的差异逐渐减小,在临近出口处几乎没有差异,与光滑通道相比正好相反。     

旋转状态下带肋U形通道内换热的实验研究

用实验方法研究了涡轮叶片内带肋Ｕ形通道状态下的前缘、后缘及两侧面局部换热系数分布。结果表明,在旋转状态下此通道的努塞尔数随雷诺数的增大而增大。在进气通道的后缘和出气直通道前缘,努塞尔数随旋转数的增加而增加;在进气直通道的前缘和出气直通道的后缘,努塞尔数随着旋转数的变化出现几次反复。随着浮力数的增加,通道的平均努塞尔数是下降的。Ｕ形通道参旋转状态下的流动换热规律比静态下的复杂的多。     

高旋转数下带肋回转通道的换热特性

为匹配真实发动机转子叶片的工作条件,将实验回转通道气体压力提高到500kPa以上,使雷诺数和旋转数范围分别扩展到10000~70000和0~2.08.在此基础上通过实验方法研究了高旋转数下带45°倾角斜肋的方形截面回转通道的换热特性.结果表明:回转通道的第1通道前缘面传热系数随旋转数的增大先减小,在达到临界旋转数后换热随旋转数增大而增强;低旋转数下,回转通道的第2通道前后缘面换热差异较小,随着旋转数的增大,前缘面换热始终强于后缘面,这种换热特性与光滑通道完全不同.      

旋转封闭循环小通道内液态金属热驱动换热特性研究

高速旋转条件下,封闭循环小通道内的流体(热驱动介质)在浮升力的作用下会产生热驱动运动,将热量不断的从高温端携带至冷却端释放。本文通过数值模拟的方法,研究了离心力场下封闭循环小通道中,不同性质流体的流动和换热特性。重点分析了以液态金属锂、钠和钠钾合金为热驱动介质时,热驱动运动的换热特性Nu随Bu和Ro两个参数的变化规律。研究中发现在一定的Bu数变化范围内,以液态金属锂、钠以及钠钾合金为热驱动介质所得到的Nu均随Ro数的增大而减小;当Ro数相同时,Nu随Bu数的增加而变大。研究结果表明高转速,低加热量时,采用液态钠钾合金为热驱动介质可以得到最好的热驱动换热效果;在高转速,高加热量时以液态锂为热驱动介质时,热驱动换热能力最强。      

高旋转数下不同通道转角梯形带肋回转通道的换热特性

为研究截面形状和旋转效应对高压涡轮动叶内部冷却通道换热的影响,对雷诺数为10000～50000,旋转数为0~209,通道转角为0°、225°、45°的带直肋双流程梯形截面通道换热特性进行了实验研究。结果表明:静止状态下,在第一通道,梯形通道后缘换热强于前缘;在第二通道,前、后缘换热区别不大,后缘的换热略强于前缘。旋转状态下,对0°通道转角,随旋转数的增大,第一通道的后缘面换热仍强于前缘面和外侧面,且差异更明显;第二通道前缘换热相对后缘增强。在较高旋转数（旋转数大于1）时,0°通道转角工况的换热最强,45°转角最弱。