扰流柱形状对冲击冷却综合换热效率影响研究

为研究不同形状的扰流柱对冲击冷却系统的影响,对具有菱形、正方形、圆形以及椭圆形扰流柱的冲击冷却进行数值模拟研究,获得了射流Re在1×10~4～3×10~4内冲击靶板的换热特性以及通道内部流场的流动特征,分析冲击射流与不同形状的扰流柱之间的作用机理,并且为了综合考虑换热效果与流动阻力,使用综合换热效率来评价扰流柱在冲击冷却中的作用。研究结果表明:在冷却空气入口条件相同的情况下,菱形扰流柱靶板具有最高的平均努塞尔数Nu以及流动阻力,相比于正方形、圆形和椭圆形扰流柱,Nu分别提高了3.8%,8.9%,10.4%,流动阻力分别提高了9.6%,17.1%,21.3%。圆形扰流柱靶板的综合换热效率相比于菱形、正方形和椭圆形扰流柱分别提高了10.8%,4.9%,1.7%。扰流柱在冲击冷却中所起不同作用的主要原因是其与冲击射流作用后产生涡流的情况及其阻挡横流的能力。当综合考虑换热效果与流动阻力时,在所研究的4种扰流柱形状中,圆形扰流柱是最佳的选择。     

存在剥离条件下颗粒物沉积过程的数值研究和实验验证

为了更加准确地模拟涡轮叶片表面颗粒物沉积的增长过程和分布状况,研究颗粒物沉积过程中粘附、剥离直至稳定平衡的规律,在经改进的颗粒粘附模型基础上考虑两种剥离形式,利用Fluent的User Defined Function (UDF)功能和网格重构技术,最终实现了熔融石蜡颗粒于带有气膜冷却的平板上沉积动态增长的过程。通过与相同条件下所得实验结果的对比,验证了所用模型的有效性和合理性。随后研究了是否加入剥离模型、气膜冷却吹风比、气膜孔射流角度等因素对沉积效果的影响。计算结果表明,考虑颗粒的剥离效应将减少颗粒物沉积的总量,尤其是在气膜孔后较短区域内;此外,吹风比的增加将使颗粒不易撞击壁面,已粘附的颗粒也更容易剥离从而降低沉积的厚度和质量;射流角度不断增大则使气膜覆盖效果变差,壁面温度升高,颗粒更易达到熔融状态沉积下来。研究发现该数值方法有助于更加精确地仿真沉积增长的过程,证实了吹风比和射流角度对沉积的分布和厚度有很大影响。当射流角度处于35°～40°时,可在一定程度上减少沉积。     

吸力面不同吹风比切向冷气喷射对跨声速涡轮叶栅气动性能的影响

为进一步探究跨声速涡轮中吸力面切向冷气喷射对叶栅气动性能及气膜冷却效果的影响,以跨声速涡轮叶栅作为研究对象,采用数值模拟方法,通过在叶片吸力面不同位置开设切向冷气喷射槽,进行不同吹风比下的冷气喷射,对跨声速气冷涡轮叶栅的总体性能以及流场细节进行了详细研究。研究结果表明,吸力面切向冷气喷射有利于减小跨声速涡轮叶栅激波损失,叶栅最大马赫数可减小0.104;切向冷气喷射槽位于尾缘内伸激波反射点上游,且吹风比处于0.75～1.00内时,叶栅能量损失最小;吹风比的增大有利于减小甚至消除冷气槽内分离泡,并能够减小唇部激波强度。     

非轴对称端壁造型对叶片端壁气热性能影响的研究

为了研究非轴对称端壁造型对典型燃气透平叶片端壁气动热力性能的影响,基于双控制型线非轴对称端壁造型方法,建立了间隙射流和主流掺混作用下非轴对称端壁气动热力性能的数值研究模型。在数值验证的基础上,研究了4种不同非轴对称端壁造型几何结构对叶栅端壁流动特性和气膜冷却性能的影响规律。结果表明,针对本文研究的大转折角透平叶片,在叶栅通道前部进行非轴对称端壁造型,会增强端壁的横向二次流,导致叶栅总压损失系数略有增大,会降低端壁的气膜有效度。而在叶栅通道后部进行非轴对称端壁造型,可以有效削弱端壁的横向二次流,减弱通道涡,从而降低叶栅的总压损失系数,同时,能够提升端壁横向平均气膜有效度高达22%,有利于提高端壁的气动热力性能。     

等压差条件下多斜孔综合冷效实验研究

为了研究不同进气条件对多斜孔气膜冷却的影响规律,采用实验方法,从等压差和等冷气量两个角度分别探讨了孔径d为0.5mm～1mm,开孔率op为0.0245～0.0383,流向倾角α为20°～45°的变化对综合冷效的影响规律。实验结果表明:综合冷效沿流向方向逐渐增大。开孔率和流向倾角不变时,孔径减小,在等单位面积冷气量下,综合冷效显著增加;在等压差条件下,孔径越小,单位面积冷气量越小,综合冷效仍然随之增加。孔径和流向倾角不变,两种进气条件下,综合冷效随开孔率的增加而增加,但等压差条件下增大幅度更高。孔径和开孔率不变,在等冷气量条件下,20°流向倾角综合冷效最高;在等压差条件下,30°流向倾角综合冷效最高。     

主流湍流度对涡轮导叶吸力面W型气膜孔冷却效率影响的实验研究

为了获得亚声速涡轮导叶吸力面不同位置处单排W型气膜孔的气膜冷却特性,在短周期跨声速风洞中实验研究了吹风比、主流湍流度对W型气膜孔冷却效率的影响。两列单排气膜孔分别布置在吸力面16%和21%相对弧长处,实验进口雷诺数范围为3.0×10⁵~9.0×10⁵,吹风比范围是0.5~2.0,叶栅出口等熵马赫数为0.8,高低湍流度分别为14.7% 和1.3%。实验结果表明：低湍流度时孔排1和孔排2下游的气膜冷却效率都随吹风比的增大先增大后减小,最佳吹风比分别为BR=1.2和BR=0.8。由于孔排1和孔排2所处位置的主流边界层状态不同,导致湍流度对于气膜冷却效率有不同的影响。对于孔排1,大吹风比时高湍流度使冷气核心向壁面移动,提高了气膜冷却效率;而小吹风比时,湍流度对冷却效率的影响随雷诺数升高而减弱。对于孔排2,大吹风比时高湍流度提高了孔附近区域的冷却效率,同时加快了冷却效率沿流向下降的速度,而在小吹风比时高湍流度显著降低了孔排下游气膜冷却效率。     

主流压力梯度对气膜冷却效率影响的数值研究

分别对收缩通道、扩张通道和直通道中亚声速主流条件下的气膜冷却进行数值模拟,对比分析了不同主流压力梯度、次流吹风比条件下的主流和次流流场、温度场特征。研究结果表明:引起气膜冷却效率变化和不同发展趋势的因素可归结为主流边界层厚度、主次流自由剪切混合程度、肾形涡的强度和位置等因素。相对于零压力梯度的主流条件,在吹风比较小(M=0.25)的情况下,主流的逆压力梯度一方面增厚边界层、增强了气膜射流对主流的穿透,另一方面减小了肾形涡的强度,综合作用的结果是气膜平均冷却效率提高了4.91%。在吹风比较大(M=2)的情况下,主流的顺压力梯度扼制主流边界层的发展、抑制气膜射流的穿透能力,降低肾形涡涡核的位置,从而提高气膜冷却效率达17.40%。      

旋转楔形通道流动与换热特性的数值研究

为了模拟涡轮叶片尾缘冷却通道的流动换热特性,建立了带侧向出流的旋转楔形冷却通道的数值模型,采用k-ωSST两方程模型研究了流动与旋转对于楔形通道内换热分布与不同出口冷气出流比例的影响。在静止情况下,由于沿程侧向的冷气出流,换热沿程降低。而旋转压缩了通道顶部内侧区域的流动滞止涡,导致内侧区域的换热显著增强。静止情况下沿程冷气出流占比不断提高,但雷诺数的影响有限。随着旋转数的提高,通道冷气出流比例受到旋转离心力的主导作用,前半段冷气出流比例下降,后半段出流比例上升,在50%径向高度位置为平均值。在大旋转数下(Ro0.4),通道前半段冷气出流比例逐渐下降为0。通道安装角度的变化对冷气出流比例的影响有限。     

冲击距离对涡轮外环表面温度影响的初步研究

为分析涡轮外环具体结构对温度的影响,在确定的流动与边界条件下,以某型发动机高压涡轮外环为研究对象并进行一定简化,应用3维数值模拟手段计算和分析了不同冲击距离对外环温度最大值及分布的影响,在综合考虑外环温度水平和分布均匀程度的约束下给出了冲击距离的最优值为冲击孔距离的6.5倍。具有较为实用的工程指导意义。     

涡轮冷却叶片参数化造型与网格自动生成

为提高涡轮叶片的数值计算效率,开发出基于参数控制的涡轮叶片模型软件。可实现叶片模型重构、计算域分区、结构化网格生成过程的自动完成和参数化控制,使得叶片的造型和网格生成过程简单化;对生成网格进行数值模拟计算,计算结果表明:生成网格在满足叶片数值计算精度的前提下,工作量大大减少,网格生成效率极大提高;在模型调整时,只需更改相应参数即可快速更新模型,缩短模型的生成周期,提高设计工作的可重用性。