模拟涡轮旋转叶片冷却通道换热的初步实验研究

本文主要阐述了一台研究旋转涡轮叶片或其他类似旋转部件冷却系统换热的实验设备,并介绍相应的实验手段和初步实验结果。 本实验可模拟气流平行于旋转轴方向的流动和气流垂直于旋转轴方向向外流及向内流等三种情况,基本上概括了冷却系统的全貌。故能满足旋转部件冷却系统换热的实验要求,试验结果是令人满意的,为旋转情况下的换热研究开辟了新路。     

磨削弧区强化换热装置的改进

分析了难加工材料磨削弧区强化换热的机理；指出了磨削烧伤主要是由于弧区热密度达到临界点时，磨削液发生成膜沸腾无法进入弧区，热量无法疏导致；在分析现有换热方法存在的不中的基础上，提出了在磨前弧区引入径向高压水射流冲击强化换热技术开发高效磨削潜力的创新构思；创造性地设计了径向定向高压射流冲击强化换热方法和装置，该方法能有效冲破汽膜的阻挡，使磨削液顺利进进入弧区，把热量带走，取得了较好的实验结果，具有较高的应用价值。     

实际中冷时多级压缩最佳压比的计算

目前，多级压缩最佳压比分配是在中间冷却效果完善及不考虑中冷时存在的压力损失条件下，按压缩机理论耗功为最小来确定的。结论是各级压比分配相等时为最佳，但实际中冷情况并非如此。本以理论耗功最小为目标，分别在换热率恒定或吸气温度恒定等实际中冷的条件下，导出2级和3级压缩最佳压比分配的计算公式，并以2级为例，分析偏离最佳压比值对耗功能的影响。得出多级压缩最佳压比分配与中冷条件有关，即使在相同的冷却条件下，2级和3级压缩最佳压比分配趋向也不相同，对于2级压缩而言，实际压比在最佳值的（0.96-1.06)范围内变化对耗功影响不大于理论耗功值的0.5%，这可视为调整压缩机压比的许可范围。     

带横流非均匀冲击/气膜复合冷却特性试验研究

针对多层涡轮机匣内部典型阵列冲击/气膜,试验研究了横流出流和气膜出流作用对冲击冷却靶面换热系数的综合作用。重点分析了非均匀阵列冲击射流中,冲击雷诺数(6 750~28 500)、横流出流比(0~0.5)等参数对冲击靶板局部和平均努赛尔数的影响。试验中局部和平均努赛尔数均随着冲击雷诺数的增加而提高。当横流出流比增加后,局部和平均努赛尔数均减小。试验结果表明,气膜孔和冲击孔间距较小的工况下能够获得更好的局部换热强化效果。横流出流的存在,削弱冲击射流带来的局部强化冷却作用,并且随着出流比的增大,这种换热削弱程度也逐步变大。     

燃气轮机一次表面换热器换热性能计算分析

针对直通道逆流型和45°叉流型两种结构形式的、适用于燃气轮机的一次表面换热器在大雷诺数工况下的流动换热特性,开展了数值模拟研究。将直通道逆流型换热器的数值计算结果与换热器校核计算结果进行了比对,发现两者结果较为吻合。同时还对比分析了两种结构形式对一次表面换热器流动换热性能的影响。结果表明,由于波纹板呈45°交替放置,45°叉流换热器内部流动复杂,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;此外,45°叉流换热器的换热性能强于直通道逆流换热器,但其冷热两侧压降也大幅增大。通过分析换热器的内部流动换热特点和主要性能参数,为一次表面换热器芯体优化设计提供了依据。     

二维参与性介质辐射换热的球谐有限元法

采用球谐函数与有限元相结合的方法(即球谐有限元法),对二维介质内辐射换热问题进行研究。以规则和非规则形状几何体辐射问题为例,使用球谐有限元法可得到较准确的计算结果,且与其它数值计算方法(如球谐有限差分法、离散坐标有限元法等)相比具有以下优势:球谐有限元法方法简单,计算速度快,适用于大型工程应用;球谐有限元法可用于计算各种形状的几何体,计算应用范围广。     

燃气热力参数计算方法及在涡轮叶栅对流换热中的应用

为了研究燃气热力参数对对流换热的影响,发展了一种计算航空发动机碳氢燃料与空气燃烧的燃气热力参数计算方法。应用该方法给出的一部分燃气热力参数作为输入条件,对不同入口温度下的平板和涡轮平面叶栅的对流换热进行了数值模拟,并与空气作为工质的对流换热数值模拟结果进行了对比。结果表明:在其他定解条件相同时,对平板和涡轮平面叶栅的对流换热,工质为多组分燃气时的壁面当地努塞尔数均大于入口工质为空气的努塞尔数,且随着入口温度的升高,空气与燃气的当地努塞尔数的差别变大;在给定的入口温度范围内,与工质为空气相比,工质为燃气的平板当地努塞尔数从28%增大到30%,涡轮叶栅则从725%增大到969%。     

加力燃烧室用气冷喷油杆结焦特性数值研究

为阐明实际工作环境参数下气冷喷油杆内燃油结焦速率与沉积厚度等特性,建立沿喷杆轴向的一维非稳态热-流-固耦合换热与燃油结焦计算模型,获得了喷杆壁面与燃油温度、结焦速率与相对结焦厚度等参数沿程分布。分析了燃油进口温度和质量流量对燃油结焦特性的影响,并与无气冷喷杆方案结果进行了对比。计算结果表明:燃油温度沿轴向逐渐升高,喷杆壁温在底端达到峰值。基准工况下气冷喷杆结焦速率和结焦厚度均沿轴向先升高后降低。结焦速率最大为26μg/(cm2·h),对应相对结焦沉积厚度0.6%。无气冷喷杆方案,在喷杆前端和底部各存在一结焦峰值区域。结焦速率峰值分别为398μg/(cm2·h)和807μg/(cm2·h),对应相对结焦沉积厚度8%和15%。固定燃油进口流量,随着燃油进口温度升高,结焦速率显著增大,喷杆内结焦总质量呈指数级增长趋势。固定燃油进口温度,进口流量越大,结焦速率略有增大,结焦总质量仅呈线性增长趋势。相较于无气冷喷杆,气冷喷杆可显著降低喷杆壁面与燃油温度,从而大幅抑制结焦生成。     

源项不准确加载对源项法模型仿真精度的影响

针对平板多孔气膜冷却结构开展了真实模型和源项法模型数值仿真,在同实验数据对比取得较高精度的基础上探究了源项不准确加载对源项法模型仿真精度的影响,分析了加载方式、流量系数、网格参数等影响因素。结果表明:源项法模型可以代替建立带气膜孔真实模型对气膜冷却结构进行数值计算。网格准确定位的源项加载方式在粗细网格条件下均能取得较高的精度,点源项加载方式对网格较为敏感。因流量系数公式不准确导致的流量计算误差会影响源项法模型的计算精度,低吹风比下影响更为显著。气膜孔进出口处网格面密度应不少于4个/mm2,第一层网格高度的选取应符合所选用的湍流模型,以保证较高的计算精度。     

跨声速涡轮导叶吸力面换热特性数值研究

为了了解涡轮导叶吸力面在跨声速条件下的换热特性,采用数值模拟的方法,分析了出口马赫数对平面叶栅内流场与换热特性的影响,以及气膜出流对吸力面气膜冷却特性的影响。结果表明,跨声速条件下,斜激波导致的逆压梯度导致了吸力面层流边界层分离和转捩;亚声速条件下,吹风比从0.5增大至1.5时,转捩位置前移了约0.1倍弦长;跨声速条件的转捩位置随吹风比增大未发生变化,但是边界层分离现象被抑制,分离泡的尺寸明显变小。在吸力面小吹风比更容易获得更高的冷却效率;边界层的分离导致冷效率分布不同于亚声速条件,在分离区冷却效率迅速降低,在吹风比0.75时降低约50%。