同向旋转盘间换热特性的实验研究

本文将实际发动机高、低压涡轮盘简化成几何形状相对简单的中心轴向进气、径向出气、两盘以不同速度同向旋转的旋转盘系统。用实验方法研究了冷气流量、转速以及两盘间隙对旋转盘间换热的影响规律,并对结果进行了相应的分析。     

旋转同心双轴间流动的热态实验

某型发动机高、低压涡轮轴间环形气流通内的流动可以简化为两个独立旋转同心双轴环道内的流动问题。对其控制方程以及边界条件进行无量纲化，得出了实验准则，设计并建立了实验台，以实验方法研究了具有轴向通流的独立旋转同心双轴环道内的流动规律。结果表明，随着冷气雷诺数增大，阻力系数总体趋势减小；冷气雷诺数的影响远大于内轴和外轴旋转对流动的影响。     

旋转对曲率表面气膜冷却效率影响的数值研究

通过对旋转状态下曲率通道的气膜冷却现象的流动和换热进行数值模拟,得到了不同旋转数下凸表面和凹表面的冷却效率分布。计算选用剪切应力输运(SST)湍流模型,主流雷诺数ReD=4 797,吹风比M=0.4,旋转数Rt=0~0.023 9。研究结果表明,旋转数对冷却效率的影响明显：旋转数的增大使得气膜的轨迹偏转越明显,并且凸表面上气膜轨迹的偏转程度高于凹表面的。凸表面的冷却效率随着旋转数的增加而逐渐减小,而凹表面的冷却效率随着旋转数的增加而递增,并且旋转数的增加会弱化凸表面和凹表面上冷却效率的差别。     

直径比对冲击气膜组合冷却流动与换热的影响

 通过数值模拟,研究了涡轮叶片弦中区所采用的新型双层腔冷却结构的冷却特性,系统分析了冲击气膜组合冷却的流动与换热特性,讨论了冷气进口雷诺数Re、吹风比M以及气膜孔与冲击孔的直径比D/d对组合冷却效果的影响。计算参数范围是：冷气进口雷诺数Re＝2 000～5 000,吹风比M＝0.6～2.0。计算结果表明, 冷气进口Re,M以及D/d对双层腔结构冷却效果的影响非常明显,在计算范围内:（1）Re和M越高,冷却效果越好;（2）当冲击孔直径一定时,增加气膜孔的直径,冷却效果会随之增加;（3）当冲击孔直径一定时,增加气膜孔的直径,流阻系数会随之减小。     

非稳态流体网络方法在发动机空气冷却系统中的应用

将流体网络法与非稳态模拟方法相结合应用到发动机空气冷却系统沿程温度、压力、流量的非稳态特性预测中.本方法将空气系统简化为节点和元件组成的网络,节点和元件处建立守恒方程,针对传统解法的计算稳定性问题引入了压力修正和积分方法相结合的求解方法.程序应用到可参考对照的模型中得到验证.验证后的程序被应用到发动机轴部冷却通道空气系统非稳态特性预测中.      

变截面U形通道内肋高对换热特性影响的实验

采用实验方法研究了在定常状态下, 肋的高度对横肋变截面U形通道内的换热特性的影响。通道内肋间距为15 mm, 肋的宽度均为2 mm, 肋的高度分别为1, 1.5, 2 mm和2.5 mm。雷诺数在12 000到56 000之间变化, 采用单元分析法, 以相同形状的无肋通道作为基准, 研究了肋的高度对肋间距为15 mm通道的换热效果及阻力影响, 得到了包括几何参数在内的经验关联式。结果表明, 有肋的通道换热都得到了增强;肋高度的变化对变截面蛇形通道换热的影响不是单调的, 而是呈多峰分布;肋的高度对阻力系数的影响却是随着肋高的增大而增大的。      

中心进气转静盘腔的流量分配特性试验

采用实验方法, 对具有中心进气、两个出口的盘腔系统的流动特性进行了研究.获得了静盘与转盘间隙以及转盘外缘小孔的冷气流量.结果表明:盘面出流孔的流量随总流量或转速的增加而增加, 该流量与总流量的流量比随总流量的增加而降低, 随着转速增加而增加.盘面出流孔数量为原出流孔数量的一半时, 流出流量也近似是原流出流量的一半.      

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。     

热障涂层在涡轮叶片应用中的热防护有效性

建立了含热障涂层的涡轮叶片简化传热模型,通过理论推导建立了热障涂层的有效性判据,并基于此进行了热防护有效性分析。理论分析与数值实验表明:由热障涂层带来的复合传热表面传热系数的变化会显著影响热障涂层的热防护效果;在发动机典型工况下,对于处于高温区的高压涡轮叶片前缘处,热障涂层引起的复合传热表面传热系数变化率最大值的范围为1.25%~10.83%以满足热防护有效性要求。在工程中应特别注意由于热障涂层的应用带来的复合传热表面传热系数的变化,否则会导致热防护失效,甚至产生反效果。      

入口带倒圆结构的旋转长孔计算模型

通过对旋转长孔的各种复杂工况开展CFD仿真,对现有经验关联式进行修正,并基于流体网络法对修正后的计算模型进行开发,开发完成的模型采用计算流体力学商业软件Simerics进行验证,结果表明:该模型考虑了入口倒圆结构对流动的影响,对于旋转长孔的模拟准确度较高,在低雷诺数及超声速等各种流动状态下均具有较广的适用性,并且只需基本的几何特征参数即可进行一维数值模拟,因此可以作为二次空气系统一维数值仿真的标准化模型使用.